Investigations into the interaction of wind turbines with terrestrial navigation systems
- 1. PTB-Fachbereich "Hochfrequenz und Felder", PTB, Braunschweig (Germany)
- 2. PTB-Abteilung "Mechanik und Akustik", PTB, Braunschweig (Germany)
Description
Flight safety vs. energy turnaround. The energy turnaround in Germany requires the construction of numerous new wind turbines. In addition to the expansion of wind farms off the coast, so-called repowering, in which old, smaller wind turbines are replaced by new, large ones, is also gaining importance. In 2019, only 35 new wind turbines were approved in Germany despite the huge demand. The low number of building permits resulted not only from the consideration of environmental aspects (e.g. bird protection) and acceptance problems among the population (minimum distances from residential areas, infrasound) but above all from the protection requirements for terrestrial navigation systems and aviation radar systems. In particular, the 59 rotating radio beacons operated in Germany often prevent the approval of building applications. The Very High Frequency Omnidirectional Radio Range (VOR) beacons emit radio signals in the frequency range between 108 MHz and 117.95 MHz, from the reception of which the aircraft can derive the directional angle to the transmitter. In the case of the standard VOR (Conventional VOR - CVOR), the directional information is encoded in the differential phase between a 30 Hz frequency-modulated omni-directionally radiated reference signal and a signal radiated at 30 Hz on an antenna circuit. In the Doppler VOR (DVOR), the 30 Hz reference signal is amplitude modulated and the signal radiated on the antenna circuit generates a frequency modulation by the Doppler effect, the phase of which depends on the direction of the receiver in the aircraft relative to the location of the DVOR. In order to protect the rotating beacons from interference of the signal by wind turbines, the German Air Navigation Services (DFS) considers the turbine protection area within a radius of 15 km when new wind turbines are to be approved. For this purpose, it uses a simple assessment tool based on formulas for CVOR and DVOR which superimpose the angular errors due to scattered signals of the individual wind turbines in a highly simplified two-dimensional model. The highly simplifying assumptions made and the insufficient validation of the results have repeatedly led to legal disputes. The aim of the WERAN and WERAN+ projects, funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) and implemented under the leadership of PTB, is and was to create a scientific basis for the quantitative assessment of the interference effect.
Abstract (German)
Flugsicherheit vs. Energiewende. Die Energiewende in Deutschland erfordert den Bau zahlreicher neuer Windkraftanlagen. Neben dem Ausbau von Windparks vor der Küste gewinnt auch das sogenannte Repowering an Bedeutung, bei dem alte, kleinere Windkraftanlagen durch neue, große ersetzt werden. Im Jahr 2019 wurden trotz des riesigen Bedarfs in Deutschland nur 35 neue Windkraftanlagen genehmigt. Die geringe Anzahl an Baugenehmigungen resultierte dabei nicht nur aus der Berücksichtigung von Umweltaspekten (z. B. Vogelschutz) und Akzeptanzproblemen bei der Bevölkerung (Mindestabstände zur Wohnbebauung, Infraschall) sondern vor allem aus den Schutzanforderungen für terrestrische Navigationssysteme und Radaranlagen der Luftfahrt. Insbesondere die 59 in Deutschland betriebenen Drehfunkfeuer verhindern oftmals die Genehmigung der Bauanträge. Die Drehfunkfeuer (engl. Very High Frequency Omnidirectional Radio Range – VOR) strahlen Funksignale im Frequenzbereich zwischen 108 MHz und 117,95 MHz ab, aus deren Empfang das Luftfahrzeug den Richtungswinkel zur Sendeanlage ableiten kann. Beim Standard-VOR (engl. Conventional VOR – CVOR) ist die Richtungsinformation in der Differenzphase zwischen einem mit 30 Hz frequenzmoduliertem omnidirektional abgestrahlten Referenzsignal und einem mit 30 Hz auf einem Antennenkreis umlaufend abgestrahlten Signal kodiert. Beim Doppler-VOR (engl. Doppler VOR – DVOR) ist das 30 Hz Referenzsignal amplitudenmoduliert und das auf dem Antennenkreis umlaufend abgestrahlte Signal erzeugt durch den Doppler-Effekt eine Frequenzmodulation, deren Phase von der Richtung des Empfängers im Flugzeug zum Standort des DVOR abhängt. Zum Schutz der Drehfunkfeuer vor Störungen des Signals durch Windkraftanlagen betrachtet. die Deutsche Flugsicherung GmbH (DFS) den Anlagenschutzbereich in 15 km Umkreis, wenn neue Windkraftanlagen genehmigt werden sollen. Dazu setzt sie ein einfaches Bewertungstool auf Basis von Formeln für CVOR und DVOR ein, die in einem stark vereinfachten zweidimensionalen Modell die Winkelfehler infolge gestreuter Signale der einzelnen Windkraftanlagen überlagern. Die dabei getroffenen stark vereinfachenden Annahmen und die unzureichende Validierung der Ergebnisse haben immer wieder zu Rechtsstreitigkeiten geführt. Ziel der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten und unter Leitung der PTB realisierten Projekte WERAN und WERAN+ ist und war es, eine wissenschaftliche Grundlage für die quantitative Bewertung der Störwirkung zu schaffen.Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- Untersuchungen zur Wechselwirkung von Windkraftanlagen mit terrestrischen Navigationssystemen
Publishing Information
- Journal Title
- PTB Mitteilungen
- Journal Volume
- 132
- Journal Issue
- 2
- Journal Page Range
- p. 31-36
- ISSN
- 0030-834X
- CODEN
- PTBMAZ
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 54010455
- Subject category
- S17: WIND ENERGY;
- Descriptors DEI
- AIRPLANES; BIRDS; FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY; LEGAL ASPECTS; NAVIGATION; SAFETY; WIND TURBINE ARRAYS; WIND TURBINES
- Descriptors DEC
- AIRCRAFT; ANIMALS; DEVELOPED COUNTRIES; EQUIPMENT; EUROPE; MACHINERY; TURBINES; TURBOMACHINERY; VERTEBRATES; WESTERN EUROPE
Optional Information
- Notes
- Metrologie f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die Energiewende