Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen

Wesentliche Grundlage bei der Planung von Windparks sind Windpotenzialanalysen zur Bewertung der Windverhältnisse am beabsichtigten Standort. Zusammen mit der vermessenen Leistungskurve der dort aufzustellenden Windkraftanlagen kann die im Jahresmittel zu erwartende produzierte elektrische Energie berechnet werden. Dies ist unerlässlich zur Beurteilung der Rentabilität eines Windparks.

Sowohl für Windpotenzialanalysen als auch für Leistungskurvenvermessungen ist es nötig, die Windgeschwindigkeitsprofile in Höhe der Rotorblätter zu erfassen. Dies geschieht bislang mit rückgeführten, also von akkreditierten Kalibrierlaboratorien kalibrierten Anemometern, die an Messmasten montiert sind. Da Windenergieanlagen tendenziell immer höher werden, wächst auch der Aufwand für den Bau dieser Masten beträchtlich. Daher wird zurzeit untersucht, ob stattdessen auch wirtschaftlichere Fernmessverfahren auf Basis von Doppler-Lidar-Systemen eingesetzt werden können. In der Windenergiebranche publizierte Untersuchungsergebnisse weisen auf vielversprechende Möglichkeiten der Lidar-Technik hin. Doch fehlen noch geeignete Verfahren zur messtechnischen Rückführung.

Die in der Windenergiebranche eingesetzten Wind-Lidar-Systeme enthalten üblicherweise eine gemeinsame Sende-/ Empfangsoptik (Abbildung links), sodass Sende- und Empfangsstrahl übereinander liegen (monostatisch, monoaxial). Bei diesem Verfahren wird die Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung mit einer Höhenauflösung von werca. 20 m gemessen, wobei der Strahl zur vollständigen Erfassung des Geschwindigkeitsvektors in verschiedene Richtungen geschwenkt wird. Für den geplanten Einsatzzweck wäre jedoch eine bessere Höhenauflösung wünschenswert. Außerdem können in unebenem Gelände Strömungsinhomogenitäten über den Schwenkbereich des Strahls zu Verfälschungen des Messergebnisses führen. Die Folge sind Messabweichungen von bis zu 10 %, die eine Rückführung von Lidar-Windgeschwindigkeitsmessungen bisher noch nicht mit der geforderten Messunsicherheit zulassen.

Das in der PTB entwickelte bistatische Doppler-Lidar-System mit räumlich getrennten Sende- und Empfangseinrichtungen (Abbildung rechts) erlaubt räumliche Auflösungen im Kubikzentimeterbereich und die vektorielle Erfassung der Geschwindigkeit an einem einzelnen Messort. Dieses System kann sowohl zum Einmessen eines konventionellen Systems im jeweiligen Gelände als auch für die Erstellung rückgeführter Windpotenzialanalysen und Leistungskurven genutzt werden.