Lidar statt Messmasten

Wer Geld für den Bau eines Windparks bereitstellt, will wissen, ob sich die Inves­tition lohnt. Und ob es sich lohnt, verrät die Messung der Wind­geschwin­dig­keiten am künftigen Stand­ort. Denn darüber lässt sich die erwartete elek­trische Energie ermitteln, die dort pro Jahr erzeugt werden kann. Für die Wind­potenzial­analyse werden derzeit Mess­masten genutzt, an denen Anemo­meter instal­liert sind. Doch das Errichten dieser Masten ist aufwendig und die Kosten steigen mit der Naben­höhe moderner Wind­räder. Daher wird die Mess­mast-Technik bei zunehmender Anlagen­höhe durch boden­gestützte Lidar-Systeme ergänzt. Konven­tionelle mono­statische Lidar-Systeme setzen jedoch für genaue Messungen räumlich und zeitlich gleiche Wind­ver­hältnisse voraus, was abhängig von der Gelände­struktur nicht immer gegeben ist.

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt haben deshalb ein bista­tisches Doppler-Lidar-System entwickelt, das mithilfe eines Lasers und dreier Empfänger vom Boden aus die Wind­geschwin­dig­keit sowie die Wind­richtung in einer Höhe von bis zu drei­hundert Metern bestimmen kann. Bei ersten Versuchs­messungen Mitte 2015 und Anfang 2016 wichen die Messungen des auf einem vier Meter langen Anhänger montierten mobilen Mess­systems der PTB und eines kali­brierten Mess­mastes um weniger als 0,5 Prozent von­ein­ander ab.

Wie der Name sagt, macht sich das System den Doppler-Effekt zu Nutzen. Anhand der Frequenz­ver­änderung lässt sich mithilfe mehrerer Empfänger der Geschwin­digkeits­vektor bestimmen. Das Licht des Lasers wird an Aerosol-Partikeln in alle Richtungen gestreut. So können Teile des Lichts von den drei am Boden befind­lichen Empfängern erfasst werden. Der Sende­strahl des Lasers und die Empfangs­strahlen der Empfänger sind auf einen gemein­samen Punkt gerichtet. An diesem Messort, einem Mess­volumen mit einem Durch­messer von wenigen Milli­metern und einer Länge von einigen Dezi­metern, kann die Geschwin­digkeit und Flug­richtung jedes Teil­chens ausge­wertet werden.

Damit hat das System einen deutlichen Vorteil gegenüber herkömm­lichen Lidar-Systemen, bei denen der Sende­strahl des Lasers mit einem Empfangs­strahl über­lagert ist. Bei dieser Technik wird der Laser­strahl geschwenkt und es wird jeweils an unter­schied­lichen Orten mit einem Mess­volumen von etwa zwanzig Metern Länge gemessen. Der Wind­vektor lässt sich so nur bei einem homo­genen Strömungs­feld bestimmen. Andern­falls kann die Mess­unsicher­heit bis zu zehn Prozent betragen, was keine Alter­native zur Mess­mast-Technik darstellt. Das bista­tische System der PTB hingegen könnte den kali­brierten Mess­masten dagegen echte Konkurrenz machen.

PTB / RK