Wind und Wetter unterliegen dynamischen Prozessen und ändern sich mitunter stündlich. Wissenschaftler haben jahrzehntelang die untere Atmosphäre untersucht und numerische Modelle entwickelt und kontinuierlich verbessert. Das Verständnis der Grenzschichten in den ersten hundert Metern über Grund (AGL) ist und bleibt eine große Herausforderung. Der Wind und das Wetter sind Motoren der Atmosphäre mit einer extrem hohen Dynamik und ein verantwortungsvolles Handeln in der Zukunft basiert auf der Erfassung von hochsensiblen und genauen Messdaten.

Durch die zunehmenden Nabenhöhen, größeren Wattklassen sowie größeren Rotordurchmessern moderner Windenergieanlagen (WEA) stoßen die zu deren Vermessung bisher eingesetzten Windmessmasten (WMM) an ihre logistischen und wirtschaftlichen Grenzen.

Die Erfassung von Windfeldern mit der LiDAR-Technologie gewinnt durch die aktuellen Marktanforderungen nach zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Windfeldmessungen in der unteren Atmosphäre weiterhin immer mehr an Bedeutung. Größter Vorteil der LiDAR Windmessung ist die Gewinnung von Daten aus sonst nicht zugänglichen Teilen der „bodennahen“ Atmosphäre und die größere räumliche Repräsentativität der Messergebnisse.

Das Messprinzip beruht auf der Emission kurzer, einzelner, und augensicherer Lichtpulse mit einer festen Frequenz in die Atmosphäre, sowie anschließender Detektion und Analyse des an atmosphärischen Aerosolen zurückgestreuten Lichts. Durch die Messung der Frequenzverschiebung kann die Windgeschwindigkeit v entlang des LiDAR Strahls bestimmt werden. Die Dopplerverschiebung ist proportional zum Verhältnis der Windgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Lichts, folglich extrem klein. Die Detektion solcher kleiner Frequenzänderungen erfordert spezielle instrumentelle Herausforderungen. Die Windgeschwindigkeit wird anschließend mittels mathematischen Funktionen in die Einzelkomponenten (u, v und w) des Windvektors zerlegt und anschließend skalar, vektoriell oder hybrid gemittelt.

Dank der innovativen und modernen Doppler Wind LiDAR Technologie werden kommerziell verfügbare LiDAR Systeme und deren Peripherie vermehrt eingesetzt, um horizontale und vertikale Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen zu messen. Wurden in der Vergangenheit in der Windenergiebranche hauptsächlich Gittermaste mit einer Höhe von ca. 120 m Höhe eingesetzt, erreichen wir heute bereits notwendige Messhöhen von weit über 160 m Höhe. Die Kosten für diese WMM, sowie die teilweise langen und aufwendigen Installationen und Genehmigungsverfahren, lassen diese Art der Windmessung zunehmend unattraktiver erscheinen.

Die vertikalen Windprofilmessungen mit LiDAR Systemen, Typ WindCube (Abb. 2), können heute typischerweise im Bereich von 40–300 m Höhe und mit bis zu 20 frei definierbaren Messhöhen durchgeführt werden. Dabei werden Windgeschwindigkeiten zwischen 0 und 60 m/s bei 0,1 m/s Genauigkeit und Windrichtungen im Bereich von 0 bis 360 Grad in allen Messhöhen und mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 1 Hz erfasst.


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Im Rahmen von der EU geforderten Klimaneutralität bis zum Jahre 2050 ist die Windenergie der wichtigste Bestandteil in unserer künftigen Energieversorgung im Bereich erneuerbarer Energien! ...

WindCube Scan - 3D Scanning Doppler LiDAR Systeme werden für fortgeschrittene Anwendungen im On- und Offshore Bereich in der Meteorologie und Windenergie z. B. Ressourcenbewertung genutzt. Die möglichen Scan-Szenarien sind vollständig frei benutzerdefinierbar und für maximale Flexibilität in gezielten Forschungskampagnen oder langfristigen betrieblichen Anwendungen konzipiert. Die Windmessungen mit diesen leistungsstarken LiDAR Systemen erfolgen bis zu einem maximalen Messbereich von 12-14.000 m Entfernung und mit mehr wie 250 frei definierbaren Messfenstern. Dabei werden Windgeschwindigkeiten zwischen 0 und 60 m/s bei 0,1 m/s Genauigkeit und Windrichtungen in allen Messfenstern mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung erfasst.

Die bodengebundenen LiDAR Systeme sind robust, kompakt und können in der Regel von ein bis zwei Personen transportiert bzw. installiert und deinstalliert werden. Durch die Verwendung eines GWU LiDAR Trailers (Abb. 3) mit integrierter unabhängiger Stromversorgung wird das LiDAR zu einem idealen System für den Feldeinsatz und dadurch interessant für kurzzeitige Messungen (sogenannten Quicklooks) z. B. bei der Standortsuche oder für die Leistungskennlinienvermessung von Windkraftanlagen. Seit geraumer Zeit werden die Systeme auch in Langzeitmessungen (>12 Monate) TR6 konform eingesetzt. In der Windenergie Offshore-Branche wird ebenfalls mit den LiDAR-Systemen gearbeitet. Es gibt hier installierte Messgeräte auf Offshore-Plattformen sowie bojengestützten LiDAR-Windmesssysteme.

Weiterhin sind LiDAR Systeme direkt auf der Gondel von Windkraftanlagen zu finden. Die Windmessungen mit gondelbasierten LiDAR Systemen (Abb. 4) erfolgen hier im Bereich von 50–700 m Entfernung vor der Anlage und mit bis zu 20 frei definierbaren Messfenstern. Dabei werden Windgeschwindigkeiten zwischen 0 und 60 m/s bei 0,1 m/s Genauigkeit und Windrichtungen in allen Messfenstern und mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 1 Hz erfasst. Je nach Aufgabenstellung, YAW Misalignment, Leistungskurenvermessung, Nacelle Transfer Function, etc. werden die Systeme temporär auf einer Turbinengondel installiert. Das Messsystem kann ebenso, jedoch in einer anderen Ausführung, bereits vollständig in die Turbine und deren Steuerungintegriert werden.

Das Messsystem ermöglicht Betreibern und Herstellern (OEMs) von Windturbinen, die Leistung der Turbinen effizient und genau zu bewerten. Die einfache Installation, leichte Hardwarekomponenten, vollständige Integrationsfähigkeit und unkomplizierte Konfigurationsprozesse gewährleisten eine schnelle Wertschöpfung in jedem Windpark.

Die Windmesssysteme liefern zeitlich und räumlich hochaufgelöste und präzise Messdaten. Sie können in komplexen und/oder bewaldeten Gelände ohne größeren Aufwand und geringem Platzbedarf kostengünstig, schnell installiert und deinstalliert werden. Aktuelle Anwendungsgebiete sind zu finden im Bereich moderner Windparkplanung und -optimierung, Nachlaufuntersuchungen der Turbine, Offshore und Onshore Site Assessment, Baustellenüberwachung sowie die lokale Windprognose. Um die gestellten Genauigkeits- und Qualitätsanforderungen an die Messtechnik zu erfüllen, ist die Doppler Wind LiDAR Technologie dabei, die am besten geeignetste und günstigste Methode zur lokalen Messung des 3D Windfeldes.

Fachgremien und Arbeitskreise, in welchen Messvorschriften und Richtlinien zur Vermessung von Windenergieanlagen erarbeitet werden, beschreiben in ihren Normen und Richtlinien (IEC 61400-12-1, MEASNET Site Assessment, FGW TR6) die Vorgehensweise für den Einsatz von LiDAR Systemen. Darüber hinaus werden Validierungen der Systeme – vergleichbar mit der Kalibrierung eines Anemometers im Windkanal – vorgeschrieben. Diese Validierung beinhaltet, vereinfacht ausgedrückt, den Vergleich mit einem entsprechend hohen Windmessmast. Eine Validierstation kann auch zur Klassifizierung von neuen Gerätetypen verwendet werden. Hier wird die grundsätzliche Eignung eines neuen Messsystems oder eines neuen Messverfahrens fachlich bewertet. Die Messdauer für diese Klassifizierungsmessungen wird je nach Windverhälnissen und Regelwerk einen Messzeitraum von ca. 12 Messmonaten, in Anspruch nehmen. Die Validierung von LiDAR Messgeräten ist zur Rückführbarkeit von qualitativ hochwertigen Messergebnissen unabdingbar.

GWU-Umwelttechnik GmbH (GWU) ist seit 1986 Werksvertretung für international renommierte Unternehmen im Bereich Windenergie und meteorologischer Messtechnik. Die GWU ist nach ISO 9001 zertifiziert und hat sich das Ziel gesetzt, die immer höher werdenden Anforderungen an messtechnischen Aufgabenstellungen im Bereich der Windenergie durch sinnvollen Einsatz neuester Technologien problem- und kundenorientiert zu erfüllen. Es steht ein Team von kompetenten Meteorologen, Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern bereit, deren Fachkenntnisse und Erfahrungen eine optimale Grundlage für eine effiziente und kundenorientierte Bearbeitung anstehender Messprojekte bilden.

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Im Rahmen von der EU geforderten Klimaneutralität bis zum Jahre 2050 ist die Windenergie der wichtigste Bestandteil in unserer künftigen Energieversorgung im Bereich erneuerbarer Energien! ...