Wie kann man die Windgeschwindigkeit und -richtung einer Windkraftanlage bestimmen?
Die Effizienz der Stromerzeugung und die Betriebsstabilität von Windkraftanlagen hängen in hohem Maße von der genauen Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung ab. Die Windgeschwindigkeit bestimmt die Energiezufuhr und die Windrichtung beeinflusst den Winkel der Rotorblätter zum Wind. Beides zusammen bestimmt die Ausgangsleistung und die Lastverteilung der Anlage. Dieser Artikel stellt kurz die wichtigsten Messmethoden für Windgeschwindigkeit und -richtung vor und behandelt dabei mechanische, Ultraschall- und hochpräzise Sensortechnologien. Außerdem bietet er technische Referenzen für die Planung und den Betrieb von Windparks.
1. Methode zur Messung der Windgeschwindigkeit
1. Mechanisches Anemometer
Prinzip: Durch Ausnutzung der linearen Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Windbechers oder -blatts und der Windgeschwindigkeit wird die mechanische Bewegung über einen Geschwindigkeitssensor in elektrische Signale umgewandelt.
Dreischalenanemometer: Drei Windschalen sind in gleichen Winkeln auf einer vertikalen Achse installiert, werden durch Wind zur Rotation angetrieben und die Geschwindigkeit ist proportional zur Windgeschwindigkeit. Die anfängliche Windgeschwindigkeit ist niedrig (0,5–1 m/s) und eignet sich für raue Umgebungen wie Staub, Regen und Schnee. Allerdings gibt es eine Verzögerung, sodass es sich besser für die Messung der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit eignet. Beispielsweise werden auf einem 100 m hohen Windturm normalerweise drei Schalensternanemometer in Höhen von 30 m, 50 m, 70 m usw. installiert, um mehrschichtige Windgeschwindigkeitsdaten synchron aufzuzeichnen.
Propelleranemometer: Mehrere Rotorblätter rotieren um eine horizontale Achse und die Geschwindigkeit ist proportional zur Windgeschwindigkeit. Es ist normalerweise mit einer Windfahne verbunden, um sicherzustellen, dass die Flügel immer in die Windrichtung ausgerichtet sind. Seine Struktur ist kompakt, aber die Propellerblätter sind anfällig für Wind- und Sandverschleiß und erfordern regelmäßige Wartung.
2. Ultraschall-Anemometer
Prinzip: Basierend auf der Ultraschall-Laufzeitdifferenzmethode wird die Windgeschwindigkeit berechnet, indem die Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Vorwärts-/Rückwärtswindrichtung gemessen wird.
Ultraschall-Anemometer mit vier Sonden: Vier Sonden werden gepaart, um zwei Sätze von Windmesseinheiten zu bilden. Jeder Sondensatz berechnet die relative Windgeschwindigkeit durch Messen der Zeitdifferenz der Ultraschallausbreitung in der Luft. Durch die Kombination zweier Datensätze kann ein dreidimensionaler Windgeschwindigkeitsvektor erhalten werden. Es weist keinen mechanischen Verschleiß auf und verfügt über eine schnelle Reaktionszeit (<1 Sekunde), aber die Kosten sind hoch und Regen- oder Schneewetter kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Beispielsweise liefern große Windturbinen über Ultraschall-Anemometer hochpräzise Windgeschwindigkeitsdaten in Echtzeit und unterstützen so die Pitch-Steuerung und Leistungsoptimierung.
3. Hochpräzises Anemometer
Prinzip: Durch den Einsatz von Ultraschall ohne Ausrichtungstechnologie wird eine Echtzeitmessung der Windgeschwindigkeit und -richtung erreicht, wodurch die Richtungsabhängigkeit herkömmlicher mechanischer Sensoren eliminiert wird.
Ultraschall-Fusionssensor: integriert mehrere Sätze von Ultraschallsonden, eliminiert Umwelteinflüsse (wie Temperatur und Feuchtigkeit) durch Algorithmen und gibt Windgeschwindigkeitsdaten mit einer Genauigkeit von ± 0,1 m/s. Es ist einfach zu installieren und erfordert keine regelmäßige Kalibrierung, die Kosten sind jedoch 30–50 % höher als bei herkömmlichen Sensoren. Beispielsweise analysierte ein bestimmter Windpark die Verteilung der Windressourcen mithilfe hochpräziser Anemometer und optimierte die Anordnung der Einheiten, was zu einer Steigerung der jährlichen Stromerzeugung um 8 % führte.
2. Methode zur Bestimmung der Windrichtung
1. Mechanische Windfahne
Prinzip: Durch die asymmetrische Struktur der Windfahne am Anfang und Ende dreht sie sich unter der Einwirkung der Windkraft um die vertikale Achse und zeigt in die Windrichtung.
Einflügelige Windfahne: besteht aus einem Heckflügel, einer Richtstange, einem Ausgleichsgewicht und einer rotierenden Hauptwelle, wobei der Schwerpunkt auf der Achse der Stützwelle liegt und die Fahne frei schwingen kann. Die Installation muss an einem 90 ° Winkel zur vorherrschenden Windrichtung und richtungskorrigiert entsprechend der lokalen magnetischen Deklination. Die Windrichtung wird mit der 16-Azimut-Methode (z. B. NNE, ENE) oder der Winkelmethode (Drehung im Uhrzeigersinn mit genau Norden als Referenz) dargestellt. Beispielsweise wurde in einem Windpark in einer Bergregion im obersten Stockwerk des Windmessturms eine stromlinienförmige Windfahne installiert, kombiniert mit einem Dreischalenanemometer, um die Erfassung der Windressourcendaten zu vervollständigen.
2. Ultraschall-Anemometer
Prinzip: Berechnen Sie den Windrichtungswinkel anhand der Laufzeitdifferenzdaten mehrerer Ultraschallsondensätze.
Dreiarmiges Ultraschall-Anemometer: Drei Sensorarme werden vertikal und horizontal installiert und der Windrichtungsvektor wird durch Messen der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen den Armenden berechnet. Es weist keinen mechanischen Verschleiß auf, hat eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, ist aber teuer und eignet sich für Szenarien mit strengen Präzisionsanforderungen.
3. Grundlage für die Auswahl der Messmethoden
Anpassungsfähigkeit an die Umgebung: In Gebieten mit Staub, Regen und Schnee werden Ultraschall- oder Hochpräzisionssensoren bevorzugt, um Verschleiß- und Vereisungsprobleme bei mechanischen Sensoren zu vermeiden.
Kostenbeschränkung: Mechanische Sensoren sind für kleine und mittelgroße Windparks optional, während für große oder Offshore-Windparks Ultraschall- oder Hochpräzisionssensoren empfohlen werden, um die Datenzuverlässigkeit zu verbessern.
Genauigkeitsanforderung: Hochpräzise Sensoren (Fehler<± 0,2 m/s) sind für die Windressourcenbewertung erforderlich, während Sensoren mittlerer Präzision (Fehler<± 0,5 m/s) kann zur Gerätesteuerung verwendet werden.
4. Fazit
Die genaue Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung ist die Grundlage für den effizienten Betrieb von Windkraftanlagen. Mechanische Sensoren sind kostengünstig, müssen aber häufig gewartet werden, Ultraschallsensoren sind sehr anpassungsfähig, aber teuer, und hochpräzise Sensoren vereinen Genauigkeit und Komfort. In praktischen Anwendungen ist eine umfassende Auswahl auf Grundlage der Umgebungsbedingungen, des Kostenbudgets und der Genauigkeitsanforderungen erforderlich, um die Effizienz der Stromerzeugung im Windpark und die Lebensdauer der Ausrüstung zu optimieren.
