DE102015103757B3

DE102015103757B3 - Vefahren for wind measurement and measuring buoy for its implementation

Info

Publication number: DE102015103757B3
Application number: DE102015103757.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2035-03-14

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Bestimmung von Windparameterwerten in einer vertikal oberhalb eines im Bereich eines Grundes angeordneten Messortes gelegenen Messhöhe, wobei – mittels eines an dem Messort angeordneten, ein Messwellen ausnutzendes Fernmessverfahren durchführenden Windsensors mittlere Windgeschwindigkeit für vorgegebene Messintervalle in der Messhöhe oberhalb des Messortes nach den Messintervallen zeitlich aufgelöst ermittelt werden, – mittels eines vertikal in einer Kontrollhöhe, die geringer ist als die Messhöhe, oberhalb des Messortes angeordneten Anemometers mit Windrichtungsmesser mittlere Windgeschwindigkeit und/oder mittlere Windrichtung für die vorgegebenen Messintervalle nach den Messintervallen zeitlich aufgelöst ermittelt und innerhalb der Messintervalle auftretende kurzfristige Änderungen der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung (Turbulenzen) bestimmt werden, – durch Anwenden eines durch einen Vergleich der in einem vorgegebenen Messintervall mit dem Anemometer in der Kontrollhöhe ermittelten Werten für kurzfristige Änderungen der Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung mit den mit dem Anemometer ermittelten Mittelwerten für dieses Messintervall bestimmten Korrekturfaktors auf die in der Messhöhe in dem vorgegebenen Messintervall ermittelte mittlere Windgeschwindigkeit die in der Messhöhe zu dem Bezugszeitpunkt aufgetretenen Änderungen der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung (Turbulenzen) bestimmt werden. Dieses Verfahren kann losgelöst von einer bereits errichteten Windenergieanlage auch über einen langen Messzeitraum kontinuierlich durchgeführt werden und erfordert dabei einen geringen apparativen und baulichen Aufwand. Ferner wird eine Windmessboje offenbart, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.A method for determining wind parameter values is disclosed in a measurement height located vertically above a measurement location arranged in the region of a ground, wherein mean wind speed for predetermined measurement intervals in the measurement height above the measurement location is determined by means of a wind sensor utilizing a measurement wave at the measurement location Measuring intervals are determined temporally resolved, - determined by means of a vertically at a control height, which is less than the measurement height, above the measurement location anemometer with wind direction average wind speed and / or mean wind direction for the predetermined measurement intervals after the measurement intervals resolved in time and occurring within the measurement intervals short-term changes in wind speed and / or direction (turbulence) are determined, by applying a by a comparison of the in a given Messinterva mit mit mit mit mit für für für für für für für für für für für mit mit mit mit mit mit An auf Wind An auf An den An den An den An den An den An den An den An den auf den auf den auf den bestimmten den bestimmten den auf den bestimmten den er den er auf er Changes in wind speed and / or direction (turbulence) can be determined. This method can be carried out continuously detached from a wind turbine already built over a long measurement period and requires a low equipment and construction costs. Furthermore, a wind measuring buoy is disclosed, with which the method can be performed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Windparameterwerten in einer vertikal oberhalb eines in einem Bereich eines Grundes angeordneten Messortes gelegenen Messhöhe. Sie betrifft ferner eine Windmessboje für die Durchführung eines solchen Verfahrens.The present invention relates to a method for determining wind parameter values in a measurement height situated vertically above a measurement location arranged in a region of a ground. It also relates to a wind measuring buoy for carrying out such a method.

Es ist an sich bekannt, dass für ganz unterschiedliche Zwecke im Bereich von (potentiellen) Aufstellungsorten von Windenergieanlagen oder Windparks die lokalen Windverhältnisse ermittelt und – insbesondere zeitaufgelöst – gemessen werden. Insbesondere spielen derartige Messungen auch bereits in der Phase der Planung einer möglichen Aufstellung einer Windenergieanlage bzw. einer möglichen Errichtung eines Windparks an einem bestimmten Ort eine große Rolle. So werden derartige Messungen durchgeführt, um bestimmen zu können, ob an bestimmten Orten die lokalen Windverhältnisse für die Errichtung und den rentablen Betrieb einer Windenergieanlage oder eines Windparks geeignet sind. It is known per se that for very different purposes in the area of (potential) sites of wind turbines or wind farms, the local wind conditions are determined and measured - in particular time-resolved. In particular, such measurements also play an important role already in the phase of planning a possible installation of a wind turbine or a possible construction of a wind farm at a specific location. Thus, such measurements are made to determine if, at certain locations, the local wind conditions are suitable for the construction and viable operation of a wind turbine or wind farm.

Die Rentabilität von Windenergieanlagen und Windparks ergibt sich aus der Differenz zwischen den Erträgen aus der Einspeisevergütung und den Kosten für die Errichtung und Instandhaltung. Die Grundlage einer Rentabilitätsprüfung bildet dabei ein Windgutachten, welches Auskunft über die zu erwartenden Erträge und Anlagenbelastungen am geplanten Standort gibt.The profitability of wind turbines and wind farms results from the difference between the income from the feed-in tariff and the costs for the construction and maintenance. The basis of a profitability test is a wind report, which provides information about the expected yields and plant loadings at the planned location.

In einem Ertragsgutachten werden sowohl die Windverhältnisse an einem geplanten Standort als auch die Jahresenergieerträge der geplante Anlagen prognostiziert und Unsicherheiten für die Wind- und Ertragsberechnung festgelegt. Ertragsgutachten sind dabei regelmäßig auch Basis für eine Finanzierung der geplanten Projekte. In a yield assessment both the wind conditions at a planned location and the annual energy yields of the planned plants are forecast and uncertainties for the wind and yield calculation are determined. Yield reports are also a regular basis for financing the planned projects.

Im Rahmen der Anlagenauslegung und der Typenprüfung werden die mittlere Windgeschwindigkeit und die Turbulenzintensität betrachtet, da diese bei der Zuströmung zu Windenergieanlagen die dynamische Strukturbelastung beeinflussen. Weitere an manchen Standorten wichtige Parameter sind die Vertikalkomponente der Strömung und die Veränderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe über Grund (d.h. über dem Boden bei an Land errichteten Windenergieanlagen bzw. Windparks, bzw. über der Wasserlinie im Falle von im Wasser gegründeten Anlagen, insbesondere Off-Shore-Windenergieanlagen und Windparks). As part of the system design and the type test, the average wind speed and the turbulence intensity are considered, as these influence the dynamic structural load when flowing to wind turbines. Other important parameters in some locations are the vertical component of the flow and the change in wind speed with altitude above ground (ie above ground for wind turbines or wind farms built on land, or above the water line in the case of aquifers, especially Off -Shore wind turbines and wind farms).

Damit geprüft werden kann, ob die an der geplanten Windenergieanlage und in einem Windpark gegebenenfalls an ihren Nachbaranlagen letztlich auftretenden Strukturbelastungen innerhalb des durch die Auslegungen bzw. Typenprüfungen gegebenen Rahmens liegen, müssen die effektiv an den einzelnen Positionen herrschenden mittleren Windverhältnisse, d. h. die mittlere Windgeschwindigkeit und die mittlere Turbulenzintensität, ermittelt werden.In order to be able to check whether the structural loads ultimately occurring at the planned wind energy plant and in a wind park, if any, lie within the framework given by the interpretations or type tests, the mean wind conditions effectively prevailing at the individual positions, i. H. the average wind speed and the mean turbulence intensity are determined.

Der natürliche Wind schwankt ständig in seiner Geschwindigkeit. Um die Energieerzeugung durch eine Windenergieanlage vorherzusagen, muss man genau wissen, wie häufig der Wind mit welcher Stärke weht. Üblicherweise misst man mit einem Windmessgerät (z.B. einem an sich bekannten Anemometer) die durchschnittlichen Werte der Windgeschwindigkeit in einem 10-Minutenmittel. Diese Werte kann man in Windgeschwindigkeitsklassen einteilen, die je 1m/s umfassen. Der Energiegehalt des Windes an einem Standort lässt sich dann beispielsweise durch die Häufigkeitsverteilung dieser Windgeschwindigkeitsklassen ausdrücken.The natural wind is constantly fluctuating in its speed. To predict the energy production by a wind turbine, one must know exactly how often the wind blows with which strength. Typically, with an anemometer (e.g., an anemometer known per se), one measures the average values of wind speed in a 10-minute average. These values can be divided into wind speed classes, each comprising 1m / s. The energy content of the wind at a location can then be expressed, for example, by the frequency distribution of these wind speed classes.

Die Windgeschwindigkeit ist der wichtigste Parameter für die Berechnung des erwarteten Energieertrages, da die Leistung einer Windkraftanlage mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Ein Unterschied von 5% bei der Windgeschwindigkeit, zum Beispiel, führt zu einer Ertragsdifferenz von etwa 15% beim prognostizierten Energieertrag der Windenergieanlage.The wind speed is the most important parameter for the calculation of the expected energy yield, since the power of a wind turbine increases with the cube of the wind speed. A difference of 5% in the wind speed, for example, leads to a yield difference of about 15% in the predicted energy yield of the wind turbine.

Neben der Häufigkeitsverteilung der mittleren Windgeschwindigkeit, die den möglichen Energieertrag am Standort aufzeigt, ist die Änderung der Windgeschwindigkeit innerhalb einer kurzen Zeit ein Maß für die Turbulenzverhältnisse am Standort. Dabei ist die Turbulenz an dem Standort die entscheidende Größe für die Belastung, der eine Windenergieanlage bzw. ein gesamter Windpark an dem Standort ausgesetzt sein wird. Diese zu erwartende Belastung hat ebenfalls Einfluss auf die wirtschaftliche Bewertung in einem Ertragsgutachten.In addition to the frequency distribution of the average wind speed, which shows the possible energy yield at the location, the change of the wind speed within a short time is a measure of the turbulence conditions at the location. The turbulence at the location is the decisive factor for the load to which a wind energy plant or an entire wind farm at the site will be exposed. This expected burden also affects the economic valuation in a yield report.

Turbulenzintensität ist definiert als das Verhältnis der Standardabweichung der Windgeschwindigkeit zum Mittelwert der Windgeschwindigkeit bezogen auf Zeitintervalle von 10 Minuten. Die Turbulenzintensität ist ein Maß für die Variabilität der Windgeschwindigkeit innerhalb dieser Zeiträume. (S. z.B. http://www.wind-lexikon.de/cms/lexikon/104-lexikon-t/987-turbulenzintensitaet.html.) Turbulence intensity is defined as the ratio of the standard deviation of the wind speed to the mean value of the wind speed relative to time intervals of 10 minutes. The turbulence intensity is a measure of the variability of wind speed over these periods. (See, for example, http://www.wind-lexikon.de/cms/lexikon/104-lexikon-t/987-turbulenceintensity.html.)

In der als 1 dieser Anmeldung beigefügten Grafik ist der Tagesgang der 10-Minuten-Mittelwerte der Windgeschwindigkeit vom 1. Januar 2014 am Windmessmast der in der südwestlichen Ostsee errichteten Forschungs- und Erkundungsplattform FINO 2 (s. http://www.fino2.de) in verschiedenen Messhöhen dargestellt. Es zeigt sich, dass die Windgeschwindigkeiten über den Tag stark variieren und auch in kurzen Zeiträumen starke Schwankungen vorherrschen. In the as 1 The graph attached to this application is the daily variation of the 10-minute wind speed averages of 1 January 2014 at the wind gauge mast of the FINO 2 research and reconnaissance platform set up in the south-western Baltic Sea (see http://www.fino2.de) at various altitudes shown. It turns out that the wind speeds vary widely throughout the day and that there are strong fluctuations even in short periods of time.

Die genaue Kenntnis der Turbulenzintensität ist, wie bereits erwähnt, für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von großer Bedeutung. Windkraftanlagen werden auf der Basis von Lastabschätzungen auf eine Betriebsdauer von 20 oder 25 Jahren ausgelegt. Dabei verringert sich schon mit einer 5% höheren Turbulenzintensität die Lebensdauer aller Komponenten überschlägig um 10%. The exact knowledge of the turbulence intensity is, as already mentioned, of great importance for the economic analysis. Wind turbines are designed to last 20 or 25 years on the basis of load estimates. Even with a 5% higher turbulence intensity, the lifetime of all components is reduced by roughly 10%.

Das bedeutet dann, dass die Erträge durch eine entsprechend verringerte Nutzungsdauer ebenfalls um 10% sinken, bzw. dass die Kosten für die Instandhaltung entsprechend steigen.This means that the yields will also fall by 10% due to a correspondingly reduced useful life, or that the costs for maintenance will increase accordingly.

Für die Messung von Windparameterwerten stehen verschiedene Systeme und Messmethoden zur Verfügung.Various systems and measuring methods are available for measuring wind parameter values.

Bekannt sind beispielsweise Messwellen ausnutzende Fernmessverfahren, wie zum Beispiel LIDAR (Light Detection And Ranging), das mit Lichtwellen, typischerweise ausgesandten Laserstrahlen, als Messwellen arbeitet, oder auch SODAR (Sonic Detection And Ranging), bei welchem akustische Wellen, typischerweise im hörbaren Frequenzbereich liegende, gebündelte Schallimpulse, als Messwellen Verwendung finden. Diese Verfahren haben den Vorteil, dass der eigentliche Sensor nicht an dem Ort bzw. in der Höhe angeordnet werden muss, an dem bzw. in der die Windparameter bestimmt werden sollen. So können beispielsweise mit einem LIDAR-Gerät die Windparameter Windgeschwindigkeit und Windrichtung vom grundnahen Aufstellungsort aus bis in eine Höhe von 200m gemessen werden.For example, measuring waves using remote measuring methods are known, such as LIDAR (light detection and ranging), which works with light waves, typically emitted laser beams, as measuring waves, or SODAR (sonic detection and ranging), in which acoustic waves, typically lying in the audible frequency range , bundled sound pulses, find use as measuring waves. These methods have the advantage that the actual sensor does not have to be arranged at the location or in the height at which or in which the wind parameters are to be determined. For example, with a LIDAR device, the wind parameters wind speed and wind direction can be measured from the ground up to a height of 200m.

Allerdings benötigen LIDAR- und SODAR-Geräte systembedingt eine längere Messzeit. Dadurch können schnelle Änderungen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung mit diesen Systemen und Verfahren nicht erfasst werden. Insbesondere können also Turbulenzen mit derartigen Fernmesssystemen nicht erfasst und gemessen werden.However, system-related LIDAR and SODAR devices require a longer measurement time. As a result, rapid changes in wind speed and wind direction can not be detected with these systems and methods. In particular, turbulences with such telemetry systems can not be detected and measured.

Entsprechend werden für die Erfassung von Turbulenzen Anemometer verwendet, die entsprechend in der jeweiligen Messhöhe, in der die Windparameter zu erfassen und zu bestimmen sind, angeordnet werden. Dies kann zum Beispiel an an den jeweiligen Standort hoch errichteten Masten geschehen.Accordingly, anemometers are used for the detection of turbulences, which are arranged in accordance with the respective measurement height in which the wind parameters are to be detected and determined. This can be done, for example, at masts erected at the respective location.

Unter den Anemometern ist das Schalenkreuzanemometer der üblichste Sensor, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Es besteht aus üblicherweise drei oder vier halbkugelförmigen Hohlschalen auf einer vertikalen Drehachse, die nach dem Widerstandsprinzip ein proportionales elektrisches Signal zur Windgeschwindigkeit erzeugen. Das Signal kann entweder durch die Drehgeschwindigkeit des Sterns, die Drehzahl, oder die Anzahl der Umdrehungen der Schalen über ein bestimmtes Zeitintervall gemessen werden. Die Windrichtung wird typischerweise dabei über eine dem Anemometer zugeordnete Windfahne bestimmt.Among the anemometers, the cup anemometer is the most common sensor to measure wind speed. It usually consists of three or four hemispherical hollow shells on a vertical axis of rotation, which generate a proportional electrical signal to the wind speed according to the resistance principle. The signal can be measured either by the rotational speed of the star, the speed, or the number of revolutions of the shells over a certain time interval. The wind direction is typically determined via a wind vane associated with the anemometer.

Vorteile des Schalenkreuzanemometers sind die Robustheit durch eine einfache Bauweise, die relative Wartungsfreiheit und der niedrige Energieverbrauch, insbesondere im Vergleich zu Ultraschallanemometern. Nachteile sind seine Trägheit, aufgrund derer insbesondere starke Windböen nicht gemessen werden können, und die Beschränkung auf die horizontale Windkomponente.Advantages of the cup anemometer are the robustness due to a simple design, the relative freedom from maintenance and the low energy consumption, especially in comparison to ultrasonic anemometers. Disadvantages are its inertia, due to which, in particular, strong gusts of wind can not be measured, and the restriction to the horizontal wind component.

Ultraschallanemometer, die weiteren häufig genutzten Sensoren, erfassen Windgeschwindigkeit und Windrichtung in ein, zwei oder drei Dimensionen. Die Luftbewegungen überlagern sich mit dem Schall zwischen den Sensoren und führen zu verschiedene Laufzeiten für Hin- und Rückweg. Diese Zeitvariation wird für die Angabe der Windgeschwindigkeit gemessen. Vorteilhaft bei dieser Sensorform ist, dass es keine mechanischen Teile und somit keine Trägheit gibt und dass sie besser in Regionen mit viel Eis- und Schneefall eingesetzt werden kann. Auch kann eine rasche Änderung der Anströmgeschwindigkeit erfasst werden. Ultraschallanemometer gibt es in 2D- und in 3D-Ausführungen.Bei 2D-Anemometern werden nur die horizontalen Windströmungen gemessen, Mit 3D-Anemometern kann zusätzlich auch die vertikale Komponente des Windes erfasst werden. Hinsichtlich der Erfindung ergibt sich durch die Verwendung von 3D-Anemometren eine zusätzliche Information über die Windverhältnisse am Messstandort. Allerdings sind Ultraschallanemometer derzeit noch nicht nach den international gültigen Regeln der MEASNET (einer 1997 gegründeten Organisation von Messinstitutionen) zugelassen. Als Alternativverfahren für die Windprofilmessung mit an fest errichteten Messmasten angeordneten Anemometern wird in der DE 10 2012 213 261 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein mit Windsensoren bestücktes Luftfahrzeug, eine Drohne, zum Einsatz kommt, wobei dieses Luftfahrzeug die Messwerte drahtlos an eine Bodenstation übermittelt. Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund des erforderlichen Betriebes des Luftfahrzeuges aufwändig und insbesondere nicht geeignet, im Wege von Langzeitmessungen (über mehrere Monate) entsprechende Kenndaten aufzunehmen.Ultrasonic anemometers, the other frequently used sensors, record wind speed and wind direction in one, two or three dimensions. The air movements interfere with the sound between the sensors and lead to different transit times for the way there and back. This time variation is measured for the indication of the wind speed. The advantage of this form of sensor is that there are no mechanical parts and thus no inertia and that it can be better used in regions with a lot of ice and snowfall. Also, a rapid change in the flow velocity can be detected. Ultrasonic anemometers are available in 2D and 3D versions. With 2D anemometers, only the horizontal wind currents are measured. With 3D anemometers, the vertical component of the wind can also be detected. With regard to the invention results from the use of 3D anemometers additional information about the wind conditions at the measurement site. However, ultrasound anemometers are not yet approved according to the international rules of MEASNET (an organization of measurement institutions founded in 1997). As an alternative method for the wind profile measurement with anemometers arranged on fixed measuring masts is in the DE 10 2012 213 261 A1 proposed a method in which an aircraft equipped with wind sensors, a drone, is used, this aircraft transmits the measured values wirelessly to a ground station. However, this method is complicated due to the required operation of the aircraft and in particular not suitable to record by means of long-term measurements (over several months) corresponding characteristics.

Neben der Bestimmung in der Planungsphase werden Werte für Windparameter aber auch im laufenden Betrieb von Windenergieanlagen bzw. Windparks bestimmt, um abgeleitet von entsprechenden Werten den Betrieb zusteuern, um insbesondere die Anlagen zu schützen und den Ertrag zu optimieren. In diesem Zusammenhang schlägt die DE 101 37 272 A1 die Verwendung eines an der Gondel einer Windenergieanlage angeordneten SODAR-Systems für die Erfassung von Windparameterdaten vor dem Rotor vor. Die DE 10 2012 210 150 A1 beschreibt die Verwendung von an der Gondel einer Windenergieanlage angeordneten Mikrowellentechnik- oder Radartechnik-Messeinheit vor, mit denen Turbulenzen, eine Schräganströmung, eine Nachlaufströmung, ein Windshear, eine Windveer, eine Windrichtung und/oder eine Windgeschwindigkeit bestimmt werden können sollen. In addition to the determination in the planning phase, values for wind parameters are also determined during ongoing operation of wind turbines or wind farms in order to control the operation on the basis of appropriate values, in order to protect the plants and to optimize the yield in particular. In this context, the DE 101 37 272 A1 the use of a SODAR sensor installed on the nacelle of a wind turbine Systems for the acquisition of wind parameters data before the rotor. The DE 10 2012 210 150 A1 describes the use of microwave technology or radar technology measuring units arranged on the nacelle of a wind turbine, with which turbulences, an oblique flow, a wake flow, a windshear, a wind sweeper, a wind direction and / or a wind speed can be determined.

Die WO 2012/065876 A1 beschreibt eine meteorologische Messanordnung mit einem an Land zu errichtenden Messmasten, der einen Fernwindmesser und wenigstens ein Anemometer aufweist. Bei der dort offenbarten Vorrichtung werden die mit dem Fernwindmesser gewonnenen Winddaten mit solchen Winddaten korreliert, die mit dem Anemometer gewonnen wurden. Damit soll insbesondere erreicht werden, dass die mit dem Fernwindmesser gewonnenen Winddaten von Kreditinstituten, die standardmäßig nur mit Anemometern gemessene Winddaten anerkannt haben, nun ebenfalls anerkannt werden.The WO 2012/065876 A1 describes a meteorological measuring arrangement with a measuring masts to be erected on land, which has a remote wind gauge and at least one anemometer. In the device disclosed therein, the wind data obtained with the remote wind gauge are correlated with wind data obtained with the anemometer. This should in particular be achieved that the wind data obtained with the remote wind diameter of credit institutions that have recognized by default only with anemometers measured wind data, now also be recognized.

Die DE 20 2013 009 021 U1 beschreibt ein mobiles LIDAR-Windmess-System, welches auf einem Schiff oder einer Errichtereinheit angeordnet ist und Windparameterdaten für die Steuerung eines Windparks erfasst. Hierzu wird das System über GPS-Technologie hinsichtlich seines jeweiligen Standortes verortet. The DE 20 2013 009 021 U1 describes a mobile LIDAR wind measuring system, which is arranged on a ship or an erector unit and detects wind parameter data for the control of a wind farm. For this purpose, the system is located via GPS technology with regard to its respective location.

In der WO 2014/140653 A1 ist eine schwimmende Windmessanordnung offenbart, die neben weiteren Elementen auch einen zentralen Bojenkörper und einen daran angeordneten Mast aufweist. An dem Mast sind verschiedene Windmessgeräte angeordnet, bei denen es sich um Anemometer und auch um LIDAR- oder SODAR-Geräte handeln kann.In the WO 2014/140653 A1 a floating wind measuring arrangement is disclosed, which in addition to other elements also has a central buoy body and a mast arranged thereon. On the mast various wind instruments are arranged, which may be anemometer and also LIDAR or SODAR devices.

In dem Fachartikel „How good are remote sensors at measuring extreme winds?“ aus EWEA 2011: Europe's Premier Wind Energy Event, Brussels, Belgium, 14–17 March 2011 beschreiben die Autoren A. Sathe, M. Courtney, J. Mann und R. Wagner einen Vergleich der Messergebnisse für Messungen von Extremwinden mit einem LIDAR Messgerät und mit einem Anemometer.EWEA 2011: Europe's Premier Wind Energy Event, Brussels, Belgium, 14-17 March 2011, the authors describe A. Sathe, M. Courtney, J. Mann and R. in the article "How good are remote sensors at extreme wind?" Wagner compares the measurement results for measurements of extreme winds with a LIDAR measuring device and with an anemometer.

Auch der Bericht „Wind Measurements at Meteorological Mast IJmuiden“ von J.P. Maureira Poveda und D.A.J. Wouters (ECN-E—14-058) befasst sich mit einem Vergleich von mit einem LIDAR-System aufgenommenen Winddaten mit solchen Winddaten, die mit einem meteorologischen Messmasten aufgenommen worden sind.The report "Wind Measurements at Meteorological Mast IJmuiden" by J.P. Maureira Poveda and D.A.J. Wouters (ECN-E-14-058) is concerned with a comparison of wind data taken with a LIDAR system with wind data taken with a meteorological mast.

In Ihrem Beitrag „SEASONAL CORRECTION OF SHORT-TERM SODAR AND LIDAR MEASUREMENTS FOR USE IN ENERGY YIELD ASSESSMENTS OF WIND FARMS” in European Wind Energy Conference and Exhibition (EWEC) 2010, Warschau, befassen sich die die Autoren, Karin Görner, Annette Westerhellweg und Simon Brillet, mit einer jahreszeitenabhängigen Korrektur von mit SODARund LIDAR-Messungen erhaltenen Winddaten.In their article "SEASONAL CORRECTION OF SHORT-TERM SODAR AND LIDAR MEASUREMENTS FOR USE IN ENERGY YIELD ASSESSMENTS OF WIND FARMS" in the European Wind Energy Conference and Exhibition (EWEC) 2010, Warsaw, the authors, Karin Görner, Annette Westerhellweg and Simon Brillet, with a seasons-based correction of wind data obtained with SODAR and LIDAR measurements.

In der DE 10 2013 100 515 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage oder eines Windparks beschrieben, bei welchem von auf einer Messboje nahe dem Grund, jedenfalls deutlich unterhalb der Rotorhöhe einer Windenergieanlage angeordneten Sensoren (Anemometern bzw. Rauhigkeitssensoren) erfasste Daten über die Windgeschwindigkeit bzw. die Rauhigkeit eines Untergrundprofils) verwendet werden, um basierend auf diesen Daten durch Extrapolation auf eine Windgeschwindigkeit auf Höhe des Rotors der Windenergieanlage zu schließen.In the DE 10 2013 100 515 A1 a method for controlling a wind turbine or a wind farm is described, in which of on a measuring buoy near the bottom, at least well below the rotor height of a wind turbine arranged sensors (anomometers or roughness sensors) collected data on the wind speed or the roughness of a subgrade profile) be extrapolated based on these data to close a wind speed at the height of the rotor of the wind turbine.

Die DE 10 2005 045 516 A1 offenbart schließlich eine Profilmessung von Windparametern, als die Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit genannt werden, mittels entweder auf unterschiedlichen Höhen angeordneten Anemometern oder mittels einer SODAR-Einrichtung. Bei der Profilmessung wird jedenfalls auch eine Messung der Windparameter in der Rotorhöhe vorgenommen.The DE 10 2005 045 516 A1 finally, discloses a profile measurement of wind parameters, called the wind direction and / or wind speed, by means of either anemometers arranged at different heights or by means of an SODAR device. When measuring the profile, in any case, a measurement of the wind parameters in the rotor height is made.

Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik und den mit den daraus bekannten Lösungen verbundenen Problemen und Unzulänglichkeiten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung von Windparameterwerten anzugeben, welches losgelöst von einer bereits errichteten Windenergieanlage auch über einen langen Messzeitraum kontinuierlich durchgeführt werden kann und dabei einen geringen apparativen und baulichen Aufwand erfordert.Based on the above-described prior art and the problems and inadequacies associated therewith, it is an object of the present invention to provide a method for determining wind parameter values, which can be carried out continuously even over a long measuring period, detached from an already erected wind turbine and requires a small apparatus and construction effort.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines solchen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. Eine weitere Lösung, die mit der vorliegenden Erfindung zur Beseitigung der oben geschilderten Probleme und zum Erreichen des oben aufgezeigten Ziels gegeben wird, besteht in einer Windmessboje mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Windmessboje sind in den abhängigen Ansprüchen 8 bis 10 aufgezeigt.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of such a method are specified in the dependent claims 2 to 6. A further solution, which is given with the present invention for the elimination of the above-described problems and for achieving the above-indicated goal, consists in a wind measuring buoy with the features of claim 7. Advantageous developments of such a Windungsboje are shown in the dependent claims 8 to 10 ,

Erfindungsgemäß greift das Verfahren zur Bestimmung von Windparametern in einer vertikal oberhalb eines im Bereich eines Grundes angeordneten Messortes gelegenen Messhöhe auf zwei unterschiedliche Messverfahren zurück und kombiniert diese. So wird erfindungsgemäß bei dem neu entwickelten Verfahren einerseits mittels eines an dem Messort angeordneten, ein Messwellen ausnutzendes Fernmessverfahren durchführenden Windsensors die mittlere Windgeschwindigkeit für je ein vorgegebenes Messintervall in der Messhöhe oberhalb des Messortes nach den Messintervallen zeitlich aufgelöst ermittelt. Hier wird also mit anderen Worten eine Fernmessung der Mittelwerte, z.B. der 10-Minuten-Mittelwerte, der Windgeschwindigkeit von einem grundnahen Aufstellungsort in einer hohen Messhöhe unternommen, bei der es sich insbesondere um eine solche Höhe handeln kann, die im Bereich einer von einem Rotor einer bestehenden oder gegebenenfalls geplanten Windenergieanlage überstrichenen Fläche liegt, im Besonderen auf Höhe der Nabe dieses Rotors. Eine weitere Messung der mittleren Windgeschwindigkeit für das jeweilige Messintervall und/oder auch der mittleren Windrichtung in dem Messintervall erfolgt, ebenfalls nach den Messintervallen zeitlich aufgelöst, mittels eines vertikal in einer Kontrollhöhe, die geringer ist als die Messhöhe, oberhalb des Messortes angeordneten Anemometers, das für eine Windrichtungsbestimmung dann auch einen Windrichtungssensor, z.B. eine Windfahne, aufweisen kann. Mit diesem Anemometer werden dann auch die in der Kontrollhöhe während eines jeweiligen Messintervalls auftretenden Werte für die Windgeschwindigkeit und/oder die Windrichtung, also auch deren kurzfristige Änderungen, also Turbulenzen, bestimmt.According to the invention, the method for determining wind parameters in a measuring height located vertically above a measuring location arranged in the region of a ground is based on two different measuring methods and combines these. Thus, according to the invention in the newly developed method on the one hand by means of a Arranged, a measuring waves exploiting remote measuring wind sensor performing the average wind speed determined for each a predetermined measurement interval in the measured height above the measuring location after the measurement intervals in time. In other words, in this case, a remote measurement of the average values, for example the 10-minute mean values, of the wind speed is undertaken by a ground-level installation site at a high measurement altitude, which may be in particular a height that is in the range of one rotor an area covered by an existing or possibly planned wind turbine, in particular at the level of the hub of that rotor. A further measurement of the average wind speed for the respective measuring interval and / or also the mean wind direction in the measuring interval takes place, also after the measuring intervals temporally resolved, by means of an anemometer arranged vertically at a control height which is smaller than the measuring height, above the measuring location for a wind direction determination then also a wind direction sensor, such as a wind vane, may have. With this anemometer, the values for the wind speed and / or the wind direction which occur at the control level during a respective measurement interval, and therefore also their short-term changes, ie turbulences, are then determined.

Durch Anwenden eines durch einen Vergleich der in einem vorgegebenen Messintervall mit dem Anemometer in der Kontrollhöhe ermittelten Werte für kurzfristige Änderungen der Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung, also der dort auftretenden Turbulenzen, mit den mit dem Anemometer ermittelten Mittelwerten für dieses Messintervall bestimmten Korrekturfaktors auf die in der Messhöhe in vorgegebenen Messintervall ermittelte mittlere Windgeschwindigkeit wird auf die in dem Messintervall in der Messhöhe aufgetretenen Turbulenzen, also die dort vorliegenden Änderungen der Windgeschwindigkeit und/oder richtung geschlossen.By applying a value determined by a comparison with the anemometer in the control height at a given measuring interval for short-term changes in the wind speed and / or wind direction, ie the turbulences occurring there, with the averaging values determined for the anemometer for the measuring interval to the in The mean measured wind speed in the predetermined measuring interval is closed on the turbulence which has occurred in the measuring height in the measuring interval, ie the changes in the wind speed and / or direction present there.

Auswertungen von Voruntersuchungen haben nämlich ergeben, dass sich die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe entweder gleich oder in einer charakteristischen Weise unterschiedlich verhält. Dabei heißt hier „in einer charakteristischen Weise unterschiedlich“, dass sich ein erkennbares und vor allem dann auch voraussagbares Änderungsmuster über die Höhe einstellt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Turbulenzen in den unterschiedlichen Höhen gleichartig verlaufen, zueinander korrelieren. Beispielhaft hierfür wird auf die 2 verwiesen, in der die am Standort der Plattform FINO 2 am 1. Januar 2014 in zwei verschiedenen Zeiträumen dieses Tages in unterschiedlichen Messhöhen ermittelten Windgeschwindigkeiten vergleichend dargestellt sind. Es zeigt sich dort, dass auch bei einer großen Spreizung der Windgeschwindigkeiten über die Höhe die charakteristische Änderung der Windgeschwindigkeit in der jeweiligen Höhe gleich bleibt.Evaluations of preliminary investigations have shown that the wind speed behaves differently with increasing altitude either the same or in a characteristic manner. Here, "different in a characteristic way" means that a discernible and, above all, predictable change pattern is established over the height. In other words, this means that the turbulence in the different heights are similar, correlate to each other. Exemplary for this is on the 2 which compares the wind speeds recorded at the FINO 2 platform on 1 January 2014 at two different times of the day at different altitudes. It shows there that even with a large spread of the wind speeds over the height, the characteristic change in the wind speed remains the same in the respective height.

Aus solchen Beobachtungen hat der Erfinder geschlossen, dass der Turbulenzgrad in einer niedrigen Höhe gemessen und extrapoliert werden kann. Voraussetzung hierfür ist dabei die Kenntnis der jeweiligen mittleren Windgeschwindigkeit in den jeweiligen Höhen.From such observations, the inventor concluded that the degree of turbulence can be measured and extrapolated at a low altitude. The prerequisite for this is the knowledge of the respective average wind speed in the respective heights.

Diese Erkenntnis nutzt das erfindungsgemäße Verfahren aus, indem der Turbulenzgrad im Höhenprofil durch die Kombination der beiden Methoden, der mit Messwellen erfolgten Fernmessung, z.B. LIDAR oder SODAR, und der Messung mittels Anemometer, bestimmt wird. Dabei wird die charakteristische Änderung der Windgeschwindigkeit auf einer geringen Kontrollhöhe, z.B. einer Kontrollhöhe von zwischen 20m und 40m, insbesondere von zwischen 25m und 35m, so z.B. von 30m mit einem Anemometer gemessen, und die Ergebnisse der aufgrund ihrer Trägheit die Turbulenzen nicht mit erfassenden Fernmessung (z.B. SODAR, LIDAR) werden rechnerisch um die Information der schnell reagierenden, Turbulenzen erkennenden Anemometer-Messung ergänzt.This knowledge exploits the method according to the invention by determining the degree of turbulence in the height profile by the combination of the two methods, the measurement carried out with measuring waves, e.g. LIDAR or SODAR, and measurement by anemometer. Thereby, the characteristic change of the wind speed becomes at a low control level, e.g. a control height of between 20m and 40m, in particular between 25m and 35m, e.g. 30m measured with an anemometer, and the results of the telemetry not detected by their inertia (e.g., SODAR, LIDAR) are computationally supplemented with the information of the fast-reacting, turbulence-detecting anemometer measurement.

Die von dem Erfinder gefundene, für die Erfindung grundlegende Erkenntnis ist also, dass die Charakteristik der Turbulenzen in der Höhe (ausgehend von dem mit dem Fernmessverfahren, z.B. mit LIDAR, gemessenen Mittelwert der Windgeschwindigkeit) durch eine Messung in niedriger Höhe (gemessen mit einem Anemometer) erkannt und beschrieben werden kann. Hierzu werden lediglich Korrekturfaktoren gebildet, die aus der Anemometer-Messung auf die Messungen mit dem Fernmessverfahren, z.B. die LIDAR-Messungen, aufgesetzt werden.The finding found by the inventor, which is fundamental for the invention, is therefore that the characteristic of the turbulence in altitude (starting from the mean value of the wind speed measured by the remote measurement method, eg with LIDAR) is determined by a measurement at low altitude (measured with an anemometer ) can be recognized and described. For this purpose, only correction factors are formed which are obtained from the anemometer measurement on the measurements with the telemetry method, e.g. the LIDAR measurements are set up.

In einem in der Tabelle nach 3 veranschaulichten Beispiel sind die Windverhältnisse vereinfacht linear dargestellt. Es wird basierend auf den Anemometer-Messungen ein Korrekturfaktor aus den mit dem Anemometer in der Korrekturhöhe aufgenommenen Änderungen von Windgeschwindigkeit und Windrichtung innerhalb einer kurzen Zeit (10 Sekunden) gegenüber dem dort aufgenommenen Mittelwert einer längeren Zeit (10-Minuten-Mittel) gebildet. Dieser Korrekturfaktor wird mit den mittels des Fernmessverfahrens durchgeführten Höhenmessungen kombiniert. Anstelle der wie in der Tabelle nach 3 veranschaulichten linearen Bildung des Korrekturfaktors, kann dieser auch komplex gebildet werden, z.B. mit einer Häufigkeitsverteilung unter Berücksichtigung der Maxima und Minima, oder zusätzlich unter Berücksichtigung anderer meteorologischer Einflüsse wie Luftdruck, Lufttemperatur, Wassertemperatur oder dergleichen. Dabei hat sich aber gezeigt, dass schon in der einfachen, linearen Form der Turbulenzgrad in der Messhöhe mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Fachmann kann nach eigenen fachmännisch geläufigen Erwägungen weitere Einflüsse auf den Turbulenzgrad in unterschiedlichen Höhen in ein komplexeres Modell für die Ermittlung des Korrekturfaktors einbeziehen, um so die Genauigkeit bei Bedarf noch weiter zu steigern.In one in the table 3 illustrated example, the wind conditions are simplistic linear. Based on the anemometer measurements, a correction factor is formed from changes in wind speed and wind direction recorded in the correction height with the anemometer within a short time (10 seconds) over the longer time average taken there (10 minute average). This correction factor is combined with the height measurements made by the telemetry method. Instead of as in the table below 3 illustrated linear formation of the correction factor, this can also be formed complex, eg with a frequency distribution taking into account the maxima and minima, or additionally taking into account other meteorological influences such as air pressure, air temperature, water temperature or the like. It has been shown that even in the simple, linear form the degree of turbulence in the measuring height can be determined with sufficient accuracy. The person skilled in the art can incorporate further influences on the degree of turbulence at different heights into a more complex model for the determination of the correction factor according to own expertly considered considerations in order to further increase the accuracy if required.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch simultan die Verhältnisse in mehreren Messhöhen ergründen, da die gängigen Fernmessverfahren wie etwa LIDAR oder SODAR für die Bestimmung der Windgeschwindigkeiten in mehreren Höhenlagen zugleich geeignet sind. So können ganze Windprofile erfasst und hinsichtlich ihres Turbulenzverhaltens in den verschiedenen Höhen aufgenommen werden.Of course, the method according to the invention can simultaneously fathom the conditions at several measuring levels, since the common telemetry methods such as LIDAR or SODAR are suitable for the determination of wind speeds in several altitudes at the same time. Thus, entire wind profiles can be recorded and recorded with regard to their turbulence behavior in the different heights.

Als für die Messung in der Kontrollhöhe verwendete Anemometer kommen dabei insbesondere Ultraschall- und Schalenkreuzanemometer in Betracht, die alternativ zueinander oder auch zusammen, einander ergänzend oder korreliert, eingesetzt werden können.As anemometers used for the measurement at the control height, ultrasound and cup anemometers, which can be used alternatively or also together, as complementary or correlated ones, can be used.

Die Kontrollhöhe kann, wie bereits oben erwähnt, mit Vorteil zwischen 20m und 40m gewählt sein, insbesondere zwischen 25m und 35m, z.B. bei 30m. Dabei wird die Kontrollhöhe typischerweise so gewählt, dass sie ausreichend ist, um einen Einfluss eines Grundprofils (Bodenprofils an Land, Form der Wasseroberfläche – Welligkeit – offshore) auf die Messung der Windparameter mit dem oder den in dieser Höhe angeordneten Anemometer(n) weitgehend ausschließt, dass sie andererseits nicht über die Maßen hoch liegt, um so den zu betreibenden Aufwand für zum Beispiel die Errichtung eines Masten gering zu halten. Im Besonderen wird die Kontrollhöhe in der Regel unterhalb einer von einem Rotor einer bereits errichteten oder noch zu errichtenden bzw. geplanten Windenergieanlage überstrichenen Höhe liegen.The control height may, as already mentioned above, advantageously be chosen between 20m and 40m, in particular between 25m and 35m, e.g. at 30m. The control height is typically selected to be sufficient to substantially preclude an influence of a ground profile (soil profile on land, shape of the water surface - waviness - offshore) on the measurement of the wind parameters with the anemometer (s) located at that height in that, on the other hand, it is not excessively high so as to minimize the effort to be made for, for example, the erection of a mast. In particular, the control altitude will usually be below a level swept by a rotor of a wind turbine already built or to be erected or planned.

Im Gegensatz dazu ist die Messhöhe typischerweise so gewählt, dass sie im Bereich einer von einem Rotor einer bereits existierenden oder einer zu errichtenden bzw. geplanten Windenergieanlage überstrichenen Höhe liegt. Insbesondere kann die Messhöhe der Nabenhöhe einer solchen Windenergieanlage entsprechen. Vor dem Hintergrund der typischen Dimensionierung bestehender und geplanter Windenergieanlagen liegt die die Messhöhe insoweit typischerweise zwischen 80m und 180m über Grund, insbesondere zwischen 100m und 170m.In contrast, the measuring height is typically chosen to be in the range of a height swept by a rotor of an existing wind turbine or a wind turbine to be constructed or planned. In particular, the measurement height of the hub height of such a wind turbine correspond. Against the background of the typical dimensioning of existing and planned wind turbines, the measuring height is typically between 80m and 180m above ground, in particular between 100m and 170m.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dabei im Besonderen dafür, im Zusammenhang mit der Erkundung und Bewertung potentieller Standorte für Windenergieanlagen und/oder Windparks und der Beurteilung der Ertragswertigkeit der dort vorherrschenden Windverhältnisse eingesetzt zu werden. Es kann aber ebenso gut auch für die Gewinnung von Werten für die entsprechenden Parameter für die Steuerung und den Betrieb, zum Beispiel für eine Optimierung, bestehender Windenergieanlagen und/oder Windparks eingesetzt werden.The method according to the invention is particularly suitable for being used in connection with the exploration and evaluation of potential locations for wind turbines and / or wind farms and the assessment of the yield value of the prevailing wind conditions there. However, it can equally well be used for obtaining values for the corresponding parameters for the control and the operation, for example for an optimization, of existing wind turbines and / or wind farms.

Erkennbar erlaubt das Verfahren aufgrund der erfindungsgemäß vorzunehmenden Kombinationen der Messmethoden und Extrapolation zur Bestimmung der Turbulenzen in der Messhöhe einen einfachen apparativen Aufbau zu verwenden, ergibt dabei dennoch sehr gute Ergebnisse.As can be seen, the method allows a simple construction of the apparatus to be used on the basis of the combinations of the measuring methods and extrapolation for determining the turbulence in the measuring height to be carried out in accordance with the invention, yet nevertheless gives very good results.

Die mit der Erfindung weiterhin angegebene Windmessboje, die für die Durchführung eines wie oben beschriebenen Verfahrens ausgestaltet ist, verfügt über einen einen Überwasseranteil aufweisenden Bojenkörper, der im Wasser schwimmend den erforderlichen Auftrieb der Boje sicherstellt, um so die Boje mit dem Überwasseranteil über der Wasserlinie zu halten. An der Windmessboje ist an dem Überwasseranteil ein Windsensor angebracht, der ein Messwellen ausnutzendes Fernmessverfahren durchführt und der dem in vertikaler Richtung gerichteten Messen von Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung in der Messhöhe dient. Weiterhin ist an der Windmessboje oberhalb des Messsensors in einer Kontrollhöhe ein Anemometer angeordnet. Die Kontrollhöhe kann dabei insbesondere im Bereich zwischen 20m und 40m, bevorzugt zwischen 25m und 35m, z.B. bei 30m, über der Wasserlinie, die hier den Grund darstellt, liegen; dies aus den oben bereits ausgeführten Gründen.The wind measuring buoy further specified by the invention, which is designed for carrying out a method as described above, has a buoy body having a Überwasseranteil which floating in the water ensures the necessary buoyancy of the buoy, so as to the buoy with the Überwasseranteil above the waterline hold. At the wind measuring buoy, a wind sensor is attached to the overwater portion, which carries out a measuring measurement method which utilizes measuring waves and which serves to measure the wind speed and / or wind direction in the measured height in the vertical direction. Furthermore, an anemometer is arranged on the wind measuring buoy above the measuring sensor in a control height. The control height can be in particular in the range between 20m and 40m, preferably between 25m and 35m, e.g. at 30m, above the waterline, which is the ground here; this for the reasons already stated above.

Erkennbar ist eine solche Windmessboje dazu eingerichtet, im Off-Shore-Bereich das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und es lassen sich somit die mit diesem Verfahren verbundenen Vorteile erzielen.Such a wind measuring buoy can be seen to be configured to carry out the method according to the invention in the off-shore area, and thus the advantages associated with this method can be achieved.

Der Windsensor kann in Übereinstimmung mit der entsprechenden vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ein LIDAR- oder ein SODAR-Messgerät sein. Das Anemometer kann insbesondere ein Schalenkreuz- oder ein Ultraschallanemometer sein. Es können auch beide Formen eines Anemometers kombiniert oder sich ergänzend verwendet werden.The wind sensor may be a LIDAR or SODAR meter in accordance with the corresponding advantageous embodiment of the method. The anemometer may in particular be a cup cross or an ultrasonic anemometer. Both forms of an anemometer can be combined or used in addition.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren. Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 in einer grafischen Darstellung den Tagesgang der 10-Minuten-Mittelwerte der am 1. Januar 2014 am Windmessmast der Forschungsund Erkundungsplattform FINO 2 in verschiedenen Höhen mittels Anemometern gemessenen Windgeschwindigkeit; 1 in a graphic representation of the daily course of the 10-minute averages of January 1, 2014 at the wind measuring mast of Forschungsund Reconnaissance platform FINO 2 at different altitudes using anemometers measured wind speed;

2a) und b) für zwei verschiedene Zeiträume des 1. Januar 2014 die an der Plattform FINO 2 in unterschiedlichen Messhöhen ermittelten Windgeschwindigkeiten in vergleichender Darstellung; 2a) and (b) for two different periods of 1 January 2014, wind speeds computed on the FINO 2 platform at different altitudes;

3 eine tabellarische Veranschaulichung der Bestimmung von Turbulenzgraden in unterschiedlichen Höhen ausgehend von einer Messung auf einer Korrekturhöhe und unter Verwendung eines (linearen) Korrekturfaktors. 3 a tabular illustration of the determination of turbulence levels at different heights from a measurement at a correction level and using a (linear) correction factor.

4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windmessboje für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Skizzierung eines Messefensters des hier eingesetzten LIDAR-Verfahrens für die Messung von Windparameterwerten in der Messhöhe; 4 a schematic view of a wind measuring buoy according to the invention for carrying out the method according to the invention with a sketch of a fair window of the LIDAR method used here for the measurement of wind parameter values in the measured height;

5 eine schematische Ansicht der in 4 gezeigten Windmessboje mit einer Darstellung der von dem oder den auf der Kontrollhöhe angeordneten Anemometer(n) gemessenen Turbulenzen und der die Extrapolation erlaubenden Fortentwicklung dieser Turbulenzen in den übergeordneten Höhen; und 5 a schematic view of in 4 with a representation of the turbulence measured by the anemometer (s) arranged at the control height and the extrapolation of this turbulence at the higher altitudes; and

6 eine weitere Darstellung der in 4 gezeigten Windmessboje mit einem daneben angeordneten Maßstab zur Verdeutlichung der Abmessungen. 6 another illustration of in 4 shown wind measuring buoy with a scale arranged next to it to clarify the dimensions.

Die 1 und 2a sowie 2b zeigen zunächst einmal reale Messwerte für in unterschiedlichen Höhen aufgenommene Windgeschwindigkeiten am Standort der Forschung- und Erkundungsplattform FINO 2. in 1 ist der Verlauf über den gesamten Tag des 1. Januar 2014 dargestellt. Die 2a und 2b geben Ausschnitte wieder, die 2a den Zeitraum zwischen 2:00 Uhr in der Früh und 4:00 Uhr morgens, die 2b den Zeitraum zwischen 21:30 Uhr abends und dem Ende dieses Tages. Gut zu erkennen ist hier, dass in dem erstgenannten Zeitraum, für den die Messwerte in 2a dargestellt sind, wie Messwerte für die Windgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Höhen kaum auseinanderfallen, während in dem in 2b gezeigten Zeitraum deutlich unterschiedliche Windgeschwindigkeiten in den verschiedenen Messhöhen zu beobachten sind, die qualitativen Verläufe, welche die Turbulenzen angeben, aber dem gleichen Muster folgen. Diese Beobachtung, die nicht nur auf das hier dargestellte Beispiel zutrifft, bildet die Grundlage für das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewählte Vorgehen, bei dem die Turbulenzen lediglich auf einer Kontrollhöhe mittels eines dort angeordneten, für die Messung schneller Windänderungen geeigneten Messinstrumente, z.B. eines Anemometers, gemessen, dann anhand eines Vergleiches der absoluten mittleren (z.B. jeweils über 10 Minuten gemittelten) Windgeschwindigkeiten in der Kontrollhöhe mit denen in der Messhöhe zur Ermittlung der Turbulenzen in der Messhöhe extrapoliert werden.The 1 and 2a such as 2 B Firstly, real measured values for wind speeds recorded at different altitudes are shown at the location of the research and exploration platform FINO 2. in 1 is the course over the entire day of January 1, 2014 shown. The 2a and 2 B reproduce clippings that 2a the period between 2:00 in the morning and 4:00 in the morning, the 2 B the period between 9:30 pm and the end of this day. It can be clearly seen here that in the first mentioned period, for which the measured values in 2a are shown as measured values for the wind speeds in the different heights hardly fall apart, while in the in 2 B clearly different wind speeds at the different measuring heights are to be observed, the qualitative courses which indicate the turbulences, but follow the same pattern. This observation, which does not apply only to the example shown here, forms the basis for the procedure chosen according to the method according to the invention, in which the turbulence is only at a control level by means of a measuring instrument, eg an anemometer, arranged there for the measurement of fast wind changes. measured by a comparison of the absolute average (eg over 10 minutes averaged) wind speeds at the control level with those in the measured height to extrapolate the turbulence in the measured height.

In 3 ist eine tabellarische Darstellung des ausgehend von mit einem Anemometer für eine Kontrollhöhe aufgenommenen Turbulenzgrades für höhere Höhen extrapolierten Turbulenzverhaltens. In der 3 oben ist eine tabellarische Auflistung gezeigt, bei der als Messergebnis für den 10-Minuten-Mittelwert der Windgeschwindigkeit in einem bestimmten 10-minütigen Messintervall mit dem Anemometer in einer Höhe von 20m ein Wert von 1,0 m/s gemessen worden ist. Mit dem Anemometer ist dann auch die in diesem Messintervall vorgekommene Abweichung der Windgeschwindigkeit angegeben als +/–0,1 m/s. Die Messung der mittleren Wingeschwindigkeit (10-Minuten-Mittelwert) in demselben Messintervall mit dem Fernmessverfahren, hier mittels LIDAR-Messung, ist für verschiedene Höhen zwischen 20m und 220 m in 20m-Schritten eingetragen. Sie liegt hier bei 20m ebenfalls bei 1,0 m/s. Erkennbar ist hier eine Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe. Durch Vergleich der Abweichung von +/–0,1 m/s der Windgeschwindigkeit in dem Messintervall von dem Mittelwert 1,0 m/s ist ein Turbulenzfaktor von 0,1 bestimmt worden, der dann als Faktor für die Berechnung der Turbulenz (der Abweichung der Windgeschwindigkeit) aus den mit dem Fernmessverfahren (hier LIDAR) ermittelten Absolutwerten der 10-Minuten-Mittelwerte in den anderen Höhen herangezogen wird. So ergibt sich dann z.B. für die Höhe 120m mit dem zu 15 m/s bestimmten 10-Minuten-Mittelwert der Windgeschwindigkeit in dem Messintervall eine Abweichung (Turbulenz) von +/–0,1·15 m/s, also +/–1,5 m/s.In 3 Figure 12 is a tabular representation of the turbulence level taken from an altitude control anemometer for higher altitude extrapolated turbulence behavior. In the 3 A tabular listing is shown above in which the measurement result for the 10-minute mean value of the wind speed in a given 10-minute measurement interval with the anemometer at a height of 20 m, a value of 1.0 m / s has been measured. With the anemometer, the deviation of the wind speed occurring in this measuring interval is then given as +/- 0.1 m / s. The measurement of the mean wing velocity (10-minute mean value) in the same measuring interval with the telemetry method, here by means of LIDAR measurement, is recorded for different heights between 20m and 220 m in 20m increments. It is here at 20m also at 1.0 m / s. Visible here is an increase in wind speed with altitude. By comparing the deviation of +/- 0.1 m / s of the wind speed in the measurement interval from the mean of 1.0 m / s, a turbulence factor of 0.1 has been determined, which is then used as a factor for the calculation of the turbulence (the deviation the wind speed) from the absolute values of the 10-minute averages in the other heights determined by the telemetry method (here LIDAR). For example, for the altitude 120m with the 10-minute mean value of the wind speed determined at 15 m / s, a deviation (turbulence) of +/- 0.1 · 15 m / s, ie +/- 1, results in the measurement interval , 5 m / s.

Nach dem gleichen Muster wird im Hinblick auf die Windrichtungsabweichungen vorgegangen, die ausgehend von einer auf der Kontrollhöhe von 20m ermittelten Abweichung und basierend auf einem aus dem Verhältnis des in der Kontrollhöhe ermittelten Mittelwert für die Windgeschwindigkeit und der Abweichung ermittelten Korrekturfaktor und auf der Grundlage der mit dem Fernmessverfahren (hier LIDAR) für die höheren Höhen ermittelten Windgeschwindigkeitsmittelwerten für diese höheren Höhen extrapoliert und errechnet werden.The same pattern shall be used with respect to wind direction deviations, based on a deviation determined at the 20m control altitude and based on a correction factor calculated from the ratio of the mean value for the wind speed and the deviation determined in the control altitude and on The telemetry method (here LIDAR) for the higher altitudes is used to extrapolate and calculate wind speed averages for these higher altitudes.

Die 4, 5 und 6 zeigen eine erfindungsgemäße Windmessboje 1, die für eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist. Die Figur veranschaulichen auch die Grundprinzipien des hier verwendeten erfindungsgemäßen Verfahrens.The 4 . 5 and 6 show a wind measuring buoy according to the invention 1 , which is designed for carrying out the method according to the invention. The figure also illustrates the basic principles of the method of the invention used herein.

Die in den 4 bis 6 gezeigte erfindungsgemäße Windmessboje 1 hat einen Bojenkörper 2, der aus einem nicht korrosiven Material, insbesondere einem entsprechend beschichteten Schiffsstahl, gebildet ist und den notwendigen Auftrieb besorgt, um einen Überwasserabschnitt 3 des Bojenkörper 2 mit daran angeordneten Aufbauten oberhalb einer Wasserlinie 4 zu halten. Im Bereich der Wasserlinie 4 weist der Bojenkörper 2 einen im Durchmesser reduzierten Abschnitt 5 auf. Dieser dient einer Verringerung der Angriffsfläche für anlaufende Brandung und damit einer Stabilisierung der Windmessboje 1 bei höherem Wellengang. Die Windmessboje 1 kann dabei insbesondere in einer solchen Weise gestaltet sein, wie dies in der früheren Patentanmeldung DE 10 2014 113 292 des hiesigen Anmelders beschrieben ist. Eine solche Ausgestaltung wird hier als vorteilhaft angesehen und bevorzugt.The in the 4 to 6 Windmill buoy according to the invention 1 has a buoys body 2 formed of a non-corrosive material, in particular a suitably coated marine steel, and provides the necessary buoyancy to an over-water section 3 of the buoy body 2 with structures arranged above a waterline 4 to keep. In the waterline area 4 points the buoy body 2 a reduced diameter section 5 on. This serves to reduce the attack surface for surfing surf and thus stabilize the Windungsboje 1 in higher waves. The windmill buoy 1 may in particular be designed in such a way as in the earlier patent application DE 10 2014 113 292 of the present applicant. Such an embodiment is considered advantageous here and preferred.

Auf dem Überwasserabschnitt 3 der Windmessboje 2 ist ein im wesentlichen vertikal verlaufender Messmast 6 aufgebaut an dessem oberen Ende in einer Höhe von etwa 30m über der Wasserlinie 4 zwei Anemometer, ein Schalenkreuzanemometer 7 und ein Ultraschallanemometer 8, angeordnet sind. Der Messmast 6 kann insbesondere als Gittermast ausgebildet sein und aus seewasserfestem Aluminium bestehen.On the overwater section 3 the windmill buoy 2 is a substantially vertical measuring mast 6 built at its upper end at a height of about 30m above the waterline 4 two anemometers, a cupped anemometer 7 and an ultrasound anemometer 8th , are arranged. The measuring mast 6 may be formed in particular as a lattice mast and consist of seawater-resistant aluminum.

An dem Bojenkörper 3 unterhalb des Messmasts 6 ist ein mit Messwellen arbeitendes Fernmessgerät angeordnet, bei dem es sich hier um ein LIDAR-Gerät 9 handelt, das aber ebenso gut auch als SODAR-Gerät oder in einer anderen für die Distanzmessung von Windgeschwindigkeit und/oder -richtung in einer angestrebten Messhöhe von bis zu 200m geeigneten Fernmesstechnologie realisiert sein kann.On the buoy body 3 below the measuring mast 6 is a working with measuring waves remote measuring device, which is here a LIDAR device 9 However, this can also be implemented as a SODAR device or in another suitable for the distance measurement of wind speed and / or direction in a desired measurement height of up to 200m remote sensing technology.

In 4 ist der sich über die Höhe aufweitende Messkegel 10 des Fernmessgeräts dargestellt, um hierüber die einen wesentlichen Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bildende Fernmessung der Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung zu veranschaulichen. In 5 sind über die gekrümmten Pfeile kurzfristige Änderungen der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit angedeutet, die mit den Anemometern 7 und 8 erfasst werden und die sich, in der Höhe fortsetzen, lediglich skaliert mit dem Verhältnis der mittleren Windgeschwindigkeiten in der jeweiligen Höhe. Diesen Effekt nutzt das erfindungsgemäße Verfahren, in dem es die mit den Anemometern 7 und 8 in der Kontrollhöhe ermittelten Messwerte für die Turbulenzen korreliert mit dem Verhältnis der ermittelten mittleren Windgeschwindigkeiten in der Messhöhe (über das SIDAR-Gerät 9) und in der Kontrollhöhe (über die Anemometer 7, 8) extrapoliert und so auf die Turbulenzverhältnisse in der Messhöhe rückschließt.In 4 is the measuring cone widening over the height 10 of the remote measuring device, in order to illustrate over this an essential part of the method according to the invention forming remote measurement of the wind speed and / or the wind direction. In 5 are indicated by the curved arrows short-term changes in wind direction and wind speed, with the anemometers 7 and 8th are recorded, and which, in altitude, only scale with the ratio of mean wind speeds at their respective altitudes. This effect uses the inventive method, in which it with the anemometers 7 and 8th measured turbulence values correlated with the ratio of the determined average wind speeds in the measured height (via the SIDAR device 9 ) and at the control level (via the anemometer 7 . 8th ) extrapolated and so on the turbulence conditions in the measurement closes.

Die Windmessboje 1 ist für den ganzjährigen Einsatz auf See ausgelegt. Die Auslegung und die Zertifizierung erfolgen insbesondere nach den am Einsatzort erforderlichen Richtlinien, beispielsweise den Richtlinien der DNV-GL.The windmill buoy 1 is designed for year-round use at sea. The design and the certification are carried out in particular according to the guidelines required at the place of use, for example the guidelines of DNV-GL.

Die Windmessboje 1 ist in ihrer Bauweise für eine signifikante Wellenhöhe von 7m ausgelegt. Damit hat an typischen Verwendungsstandorten der Seegang an mehr als 350 Tagen im Jahr nur einen geringen Einfluss auf die Schwimmlage (da Wellenhöhen von mehr als 7m dort entsprechend selten erreicht werden). Zu Servicezwecken kann die Windmessboje 1 bis zu einer signifikanten Wellenhöhe von 1,5m begangen werden.The windmill buoy 1 is designed in its construction for a significant wave height of 7m. Thus, at typical places of use, the sea state has only a minor influence on the swimming position for more than 350 days a year (since wave heights of more than 7 m are seldom reached there). For service purposes, the wind measuring buoy 1 up to a significant wave height of 1 5m to be committed.

Für die Verwendung wird die Windmessboje 1 zum Beispiel per Schlepper zum vorgesehenen Einsatzort verbracht. Die Verankerung der Windmessboje 1 am Grund erfolgt je nach Einsatzort per Stein oder Anker.For use, the windmill buoy 1 For example, spent by tug to the intended location. The anchoring of the wind measuring buoy 1 Depending on the place of use, the ground can be made by stone or anchor.

Die Windmessboje 1 ist mit einer autarken Energieversorgung und einer Batteriebank ausgerüstet. Die Batteriebank ist dabei derart ausgelegt, dass bei einem Ausfall der Energieerzeugungssysteme ihre Kapazität für einen autarken Betrieb der Windmessboje 1 von zehn Tagen reicht.The windmill buoy 1 is equipped with a self-sufficient power supply and a battery bank. The battery bank is designed such that in case of failure of the power generation systems, their capacity for autonomous operation of the wind measuring buoy 1 of ten days is enough.

Die Verarbeitung der aufgenommenen Messdaten erfolgt online auf der Windmessboje 1. Die entsprechenden Daten werden drahtlos übermittelt. Abhängig vom Einsatzort können verschieden große Datenpakete abgerufen werden.The processing of the recorded measurement data takes place online on the wind measuring buoy 1 , The corresponding data is transmitted wirelessly. Depending on the place of use, different sized data packages can be called up.

Aus der vorstehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist der große Nutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der besonders einfache Aufbau einer für dieses Verfahren zu verwenden Windmessboje noch einmal deutlich geworden. An dieser Stelle ist noch einmal zu betonen, dass das Verfahren nicht allein auf eine Off-Shore-Anwendung beschränkt ist, obwohl es in einer solchen Anwendung besonders bevorzugt zum Einsatz kommt, die sich daraus ergebenden Vorteile in besonderem Maße ausgenutzt werden können.From the above description of the embodiment, the great utility of the method according to the invention and the particularly simple construction of a wind measuring buoy to be used for this method has become clear again. It should be emphasized once again that the method is not limited to an off-shore application, although it is particularly preferred in such an application that the resulting advantages can be exploited to a particular degree.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Windmessboje Windmessboje
22: Bojenkörper buoys body
33: Überwasserabschnitt Above water section
44: Wasserlinie waterline
55: im Durchmesser reduzierter Abschnitt reduced diameter section
66: Messmast mast
77: Schalenkreuzanemometer cup anemometer
88th: Ultraschallanemometer Ultrasonic Anemometer
99: LIDAR-Gerät LIDAR device
1010: Messkegel measuring cone

Claims

Method for determining wind parameter values in a measuring height located vertically above a measuring location arranged in the region of a ground, wherein A mean wind speed for predetermined measuring intervals at the measuring height above the measuring location arranged after the measuring intervals is determined in a time-resolved manner by means of a wind sensor using a measuring measurement method utilizing measuring waves at the measuring location; By means of an anemometer arranged vertically at a control height which is smaller than the measuring height, above the measuring location with wind direction average wind speed and / or average wind direction for the given measuring intervals after the measuring intervals resolved in time and within the measuring intervals occurring short-term changes in wind speed and / or direction, By applying a value for short-term changes in wind speed and / or wind direction determined by a comparison with the anemometer in the control height with the aemometer-determined correction factor for that measurement interval to the measurement height in the predetermined measurement interval determined average wind speed which are determined in the measured height in the measuring interval changes in the wind speed and / or direction.

A method according to claim 1, characterized in that a LIDAR or SODAR measuring device is used as a wind sensor.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a cup anemometer and / or an ultrasound anemometer is used as the anemometer, wherein optionally a wind vane arranged in the region of the anemometer is provided for determining the wind direction.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control height between 20m and 40m, in particular between 25m and 35m, is above ground.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a height above ground is selected as the measuring height, as is possible for typical in the region of the measuring location for installation possible wind turbines as hub height above ground in question, in particular a height above ground in the range between 80m and 180m, especially between 100m and 170m.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is carried out in the off-shore area and that the measuring location is predetermined by a buoy, on which the wind sensor and the anemometer, the latter on a measuring mast, are fixed.

Wind measuring buoy, designed for carrying out a method according to one of the preceding claims, having - an overwater component ( 3 ) having buoy body ( 2 ) floating in the water the necessary buoyancy of the wind 1 ) to ensure that it is 3 ) above the waterline ( 4 ) to keep; - one at the Überwasseranteil ( 3 ) for measuring in a vertical direction measuring a wind speed averaged for given measuring intervals at a measuring height, a measuring shaft utilizing a remote measuring method performing wind sensor ( 9 ), - one above the measuring sensor ( 9 ) arranged at a control height anemometer ( 7 . 8th ).

Wind measuring buoy according to claim 7, characterized in that the wind sensor ( 9 ) is a LIDAR or SODAR meter.

Wind measuring buoy according to one of claims 7 or 8, characterized in that the anemometer ( 7 . 8th ) a cup cross ( 7 ) and / or an ultrasonic anemometer ( 8th ).

Wind measuring buoy according to one of claims 7 to 9, characterized in that the anemometer ( 7 . 8th ) on one at the buoy body ( 2 ), substantially vertical measuring mast ( 6 ) is arranged at the control level, in particular at a control height of between 20m and 40m above the waterline, preferably between 25m and 35m above the waterline.