Windmessung

Windmessgeräte werden auch Anemometer genannt (von altgrichisch anemos = „Wind“ und métron = „maß“). Die Anfänge der Windmessung gehen bis in die Mitte des 15. Jahrhunderts zurück. Bereits 1450 erfand der italienisch Architekt Leon Battista Alberti das erste Druckplattenanemometer.

Seit dem kamen viele neue Möglichkeiten dazu. Es ist zum Beispiel auch möglich, die Windgeschwindigkeit mit Hilfe eines Thermometers zu messen. Dieses wird erwärmt und je kürzer die Zeit ist, die das Thermometer benötigt um wieder auf die Ausgangstemperatur zu fallen, desto schneller ist die Windgeschwindigkeit. An dem Messmast an unserer Schule sind zwei Schalensternanemometer mit Halbkugeln befestigt.

Im inneren befindet sich eine Platine auf der ein Fotosensor befestigt ist. Über diesem Sensor befindet sich eine kreisrunde Scheibe, die abwechselnd silberne und schwarze Markierungen hat. Werden nun die drei Halbkugeln vom Wind in Bewegung versetzt, beginnt die Scheibe im inneren sich über eine Achse zu drehen. Immer wenn eine reflektierende silberne Markierung den Fotosensor passiert, sendet dieser einen elektrisches Signal. Passiert eine Schwarze, nicht reflektierende Markierung den Sensor, wird das Signal unterbrochen. Anhand der Abstände dieser Impulse wird die Windgeschwindigkeit berechnet. Dieses Schalensternanemometer gibt es außerdem mit drei Kegeln statt Halbkugel. Dieses hat die gleiche Funktionsweise, allerdings misst dieses Messgerät nur den horizontalen Wind, während die Halbkugeln auch von Wind beeinflusst werden, der schräg von unten oder Schräg von oben auftrifft. Um die Windrichtung zu bestimmen müssen diese Anemometer mit einer Windfahne kombiniert werden.

Genau so häufig wird das 2-D Ultraschallanemometer verwendet.

Hierbei senden jeweils zwei der vier Kontakte ein Ultraschallsignal zu dem gegenüberliegenden Kontakt, anschließend senden die beiden anderen Kontakte ein Signal zurück. Die Kontakte fungieren also gleichzeitig als Sender und Empfänger. Anhand der Zeit, die die vier Signale benötigen, berechnet man mit hochkomplexen Mathematikprogrammen die Windstärke und die Windrichtung. Die 2-D Ultraschallanemometer berechnen nur die Horizontale Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Um auch die Bewegung der Luft exakt zu messen, wenn dieser schräg von unten oder schräg von oben kommt, benötigt man ein 3-D Ultraschallanemometer. Dieses hat sechs Kontakte, von denen drei unten und drei oben angeordnet sind. Es funktioniert aber nach dem gleichen Prinzip. Die gegenüber liegenden Kontakte senden und empfangen abwechselnd Ultraschallsignale und es wird auf Grund der benötigten Zeit die Richtung und die Geschwindigkeit bestimmt.

Die Windmessung mit Schalenstern- und 2-D Ultraschallanemometer ist aktuell die häufigste Methode um einen Windstandort zu analysieren. Allerdings müssen diese Geräte auf einem hohen Mast befestigt werden. Diese Mäste müssen für jeden möglichen Windstandort gebaut werden und sind extrem kostenaufwendig. Noch deutlicher wird diese Problematik, wenn wir in den Offshore Bereich gehen. Um auf dem Meer genaue Messungen zu erzielen, müssen die Windmessmasten auf Bohrplattformen gebaut werden. Möchte man mögliche Standorte für Offshore-Windparksparks analysieren und es befindet sich keine Bohrplattform in der Nähe müssen dort Forschungsplattformen gebaut werden.

Da dies sehr kostenintensiv ist, gibt es bisher auch nur drei dieser Plattformen. Die Forschungsplattform FINO 1 nördlich von Borkum in der Nordsee, FINO 2 in der südwestlichen Ostsee und FINO 3 ca. 80 Kilometer vor Sylt. Zudem kann ein Mast nicht unendlich hoch gebaut werden. Der höchste Mast der Welt ist vom Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik) mit einer Höhe von 200m.

Um die Problematik an Land zu umgehen, gibt es zwei Möglichkeiten. Die Erste ist die Aufstellung eines Sodars.

Dieses sendet mehrere Ultraschallsignale aus und empfängt das reflektierte Echo der kleinsten Luftteilchen, auch Aerosole genannt, reflektierte Echo und berechnet daraus die Richtung und die Geschwindigkeit der Luft. Die zweite Technik ist das sogenannte LIDAR (Light detection an ranging).

Diese Besteht aus einem Laser und einem Detektor. Der Laser schickt Lichtsignale in den Himmel, diese werden von den Aerosolen reflektiert und vom Detektor empfangen. Aus der benötigten Zeit und dem Einfallwinkel der Lichtsignale wird dann Windgeschwindigkeit und Windrichtung berechnet. Der Vorteil dieser Techniken ist, dass sie mobil sind. Sie können nach der Analyse eines Windkraftstandortes abgebaut und an anderen Orten wieder aufgebaut werden. So können Kosten gespart werden. Im Bezug auf die Genauigkeit sind Schalensternanemometer, Ultraschallanemometer, SODAR und LIDAR nicht zu unterscheiden. Allerdings gibt es von allen Systemen unterschiedliche Ausführungen und wie bei fast allen Messtechniken steigen mit der Genauigkeit auch die Kosten. Doch während Schalensternanemometer und Ultraschallanemometer die Bewegung nur in einem Bereich von 40 cm messen, können mit SODAR und LIDAR größere Bereiche abgedeckt werden. Auch auf dem Wasser sollen diese mobilen Systeme in Zukunft eingesetzt werden. Das Frauenhofer IWES hat bereits den Prototyp eines schwimmenden LIDARS entwickelt.

Allerdings gibt es Schwierigkeiten, weil diese Geräte von Wellen bewegt werden. Durch die Bewegung des Geräts können die Abgesendeten Lasersignale schräg abgesendet oder die Einfallswinkel der Reflektion verfälscht werden. Die Geräte müssten also mit vielen Sensoren ausgestattet werden, die die Bewegung des Geräts wahrnehmen und mit den empfangenen Signalen verrechnet. Auf diese Weise werden die Bewegungen herausgefiltert. Dies ist aber wieder mit mehr Kosten verbunden.