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Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung bei Windkraftanlagen

Renewable Energy Technology (China), Ausgabe Herbst 2011

Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung bei Windkraftanlagen 

Ultraschall-Technik ist einzigartig – Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung entscheidend für effizienten und sicheren Betrieb von Windkraftanlagen.

Vollständiger Artikel (auf Englisch) (PDF 338 KB)

Ein Windsensor würde im Idealfall genaue Daten vier- oder fünfmal pro Sekunde über die gesamte Lebensdauer einer Windkraftanlage hinweg liefern und das ohne Unterbrechung, Neukalibrierung oder Wartung, sodass man ihn nach der Montage gleichsam „vergessen“ könnte.

Die Verhältnisse ganz oben auf einer Windkraftanlage sind jedoch mit Regen, Eis, Hagel, Schneegestöber, extremer Hitze und Kälte, Schwingungen und Blitzschlag äußerst unwirtlich für empfindliche Elektronik. Herkömmliche mechanische Windsensoren müssen regelmäßig gewartet werden. Sand kann ihre Funktion beeinträchtigen und sie sind nicht einfach eisfrei zu halten.

Bei Ultraschall-Windsensoren mit Laufzeitmessung (d. h. Messung der Dauer, wie lange das Ultraschall-Signal für den Weg von einem Punkt zu einem anderen benötigt) stellen sich einige dieser Probleme nicht. Durch ihre Größe und ihren Aufbau sind sie jedoch schwer zu beheizen und anfällig für mechanische Beschädigung.

Es gibt aber noch eine dritte Option und zwar die Ultraschall-Messung über akustische Resonanz. Diese patentierte Technologie ohne bewegliche Teile nutzt eine akustische (Ultraschall-)Welle, die in einem kleinen Hohlraum reflektiert wird. Das hat viele Vorteile: kompakte Konstruktion, geringes Gewicht, lange Lebensdauer, hohe mechanische Festigkeit, hohe Datenverfügbarkeit und gute Messgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer hinweg. Diese Technologie ermöglicht einen strapazierfähigen Sensor ohne freiliegende Teile, der auch unter härtesten Witterungsbedingungen funktioniert. Weitere Pluspunkte: Geringer Stromverbrauch und integrierter Ausgleich von Umweltfaktoren, die andere Technologien beeinträchtigen.

Der Sensor besteht aus zwei parallelen Platten. Eine Platte verfügt über drei Wandler, die in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. Von den Wandlern wird nacheinander ein Ultraschall-Signal gesendet. Dieses Signal breitet sich nach außen aus, bis es auf den oberen Reflektor auftrifft, wo es dann reflektiert wird und auf den unteren Reflektor auftrifft und dann wieder reflektiert wird. Der Ultraschall wird demnach so lange zwischen den beiden Reflektoren hin und her reflektiert, bis er seine ganze Energie verloren hat. Dies tritt nach ungefähr 200 Reflexionen ein.

Die Reflexionen kombinieren sich in der Phase und erzeugen eine vertikale quasi-stehende Welle, wodurch sich eine drastische Erhöhung der Signalstärke ergibt. In der horizontalen Ebene kann man das Verhalten als zweidimensionale radiale Wanderwelle bezeichnen.

Die Luftstrommessung basiert auf dem Wanderwellenprinzip. Die Phasenverschiebung zwischen einem beliebigen Wandlerpaar zeigt die Windgeschwindigkeit und Windrichtung entlang der Paarachse an. Somit lassen sich durch die Messung der Phasenverschiebung zwischen allen drei Membranpaaren die Vektorkomponenten der Luftströmung entlang aller drei Seiten des durch die Membranen gebildeten Dreiecks berechnen. Diese Vektoren werden dann kombiniert, um die Gesamtgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen.

Darüber hinaus ermöglicht die stehende Welle einen automatischen Ausgleich der Änderung der Schallgeschwindigkeit durch Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckschwankungen. Über eine Frequenzanpassung des Systems wird das Ansprechverhalten optimiert und die Resonanz aufrechterhalten. So können Messungen unabhängig von der Schallgeschwindigkeit erfolgen.

Neben einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet die Resonanz ein starkes Signal für einfache Messung und hohe Störfestigkeit.

Die akustische Resonanztechnologie wurde von FT Technologies aus London, England erfunden und patentiert. Das inzwischen als Acu-Res®-Technologie bekannte Verfahren ist in die Windsensor-Serie FT702LT integriert, die seit fast 10 Jahren für die Turbinensteuerung eingesetzt wird. Diese Technologie wurde von über 20 Herstellern und Entwicklern in China und in anderen Teilen der Welt in die Spezifikationen aufgenommen.

Die Version 22 als aktuellste Version des Sensors hat über 25 verschiedene internationale Tests bestanden, mit denen die Robustheit und Leistungsfähigkeit der FT-Sensoren mit Acu-Res®-Technologie unter Beweis gestellt wird. 

 

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