Winde“, die bis in 100 Meter Höhe von der „Rauigkeit“ der Erdoberfläche beeinflusst werden. Seen, Berge, Täler, Städte, große Bauten können die Winde stark beeinflussen, so dass sie öfters ihre Richtung oder Stärke verändern. Je nach Jahreszeit treten dann gebietsweise sogar extreme Winde auf wie der Föhn in den Alpen, der Mistral im Rhonetal oder der Wüsten-Shirocco.
Lokale Winde sind besonders gut im Urlaub am Meer zu beobachten, wo sich tagsüber durch die Sonne das Land erwärmt: Die warme Luft steigt auf und zieht die kühlere vom Meer nach. So weht tagsüber am Strand immer ein kräftiger Wind aus Richtung Meer. Am Abend, wenn das Land sich abkühlt, flaut der Wind meist ab. Da kann es in kühlerer Jahreszeit sogar zu einer Brise vom Land aufs Meer hinaus kommen, weil das Wasser noch wärmer als der Erdboden ist.
Wie können wir den Wind messen?
Warum startet das Windrad nicht? Wie viel Sturm hält das Windrad aus? Wie viel Wind weht durchschnittlich im Jahr?
Das sind Fragen, die nicht nur Windradplaner auf der Suche nach geeigneten Standplätzen für Großwindräder interessieren. Auch Besitzer von Kleinwindrädern wollen oft wissen, wie windgünstig der Platz ist, an dem das Windrad aufgestellt wird. Oft kann man mittels Windmessung die Fehlerquellen finden, die zum unruhigen Lauf oder zu verminderter Leistung des Windrades führen.
Um nur den besten Standort auf dem eigenen Grundstück zu finden, benötigt man keine aufwändige Windstärkemessung. Es genügt schon, ein paar unterschiedlich hohe Stangen mit „Windfahnen“ von 1,5 Meter Länge (+ Knoten) aus Stoff oder Baustellenabsperrband aufzustellen. Dort wo die Fahnen am ruhigsten und möglichst waagerecht flattern ist der geeignete Standort für einen Mast.
Die Windstärke kann man auf verschiedene Arten messen, am genauesten geht es mit einem Anemometer: Halbkugelige Schalen drehen sich um eine Achse und geben elektrische Impulse ab, die über ein Kabel oder Funk zum Anzeigegerät übertragen werden. Dort werden über einen Mikroprozessor die Daten aufbereitet, so dass man verschiedene Auswertungen bekommt: Durchschnitt, Höchstwerte, Jahresmittel-, Monatsmittel-, Tagesmittelwerte oder die Häufigkeit der jeweiligen Windstärke.
Da gute Windmesser teuer sind, haben wir ein einfaches Windmessgerät zum Nachbauen entwickelt, das für Grundmessungen durchaus zu verwenden ist. So können z.B. an Schulen geeignete Standorte für ein Schulwindrad ermittelt werden. Mehr dazu finden Sie unter 2.1 bei den Bauanleitungen.
Wer sich für präzise Messungen interessiert, muss zu einem käuflichen Gerät greifen. Es gibt mobile Handmesser und fest zu installierende Messgeräte. Beachten sollten Sie aber beim Kauf, dass ein Datenspeicher eingebaut ist, der mindestens eine Woche lang die Messdaten festhält, so dass man sie nach dieser Zeit ablesen kann.
Wie schon erwähnt, bieten die Elektronikversender nur Handwindmesser an, die hauptsächlich für Surfer und Drachenflieger geeignet sind, weil sie nur die augenblickliche Windstärke anzeigen können. Richtige professionelle (und teure) Messgeräte dagegen speichern die Daten über einen längeren Zeitraum bis zu einem ganzen Jahr und ermöglichen so eine echte Aussage über die Eignung eines Standortes.
Deshalb stellen wir hier ein nicht zu teures Windmessgerät vor, das sich für richtige Windmessungen eignet:
Der Windmaster 2 ist ein handliches, präzises Messgerät mit geschütztem Schalenstern und LCD-Anzeige für aktuelle, durchschnittliche oder maximale Wind-Geschwindigkeit. Die Messeinheiten sind in m/s (Meter pro Sekunde), km/h (Kilometer pro Stunde) und mph (Meilen pro Stunde) wählbar, die Daten werden maximal 8 Tage gespeichert. Das Gerät hat zur Befestigung ein Stativgewinde und ist wetterfest. Dazu gibt es eine handliche Schutztasche. Die austauschbare Knopfbatterie hält zwei Jahre.
Langzeitwindmesser sind speziell für Voruntersuchungen oder Kontrollen im Freiland ausgelegt. Die Messeinrichtung besteht aus einem Anemometer, das auf einem Mast befestigt werden kann, und einem Anzeigegerät, die beide über ein langes Messkabel miteinander verbunden sind. Die Messung reicht meist von 0,4 – 40 m/s. Messwerte sind: momentane Windgeschwindigkeit, Durchschnitt, maximale Geschwindigkeit, Betriebsstunden, verschiedene Monatsmittelwerte, Verteilung der Windklassen.
Diese zwar teuren, aber sehr präzise messenden Geräte eignen sich besonders für Standortmessungen im Gelände, für Messungen an Schulen oder Hochschulen.
Wie kann man die Windleistung berechnen und welche Windstärken gibt es?
Die Windgeschwindigkeit ist entscheidend für die Menge der Energie, die aus dem Wind gewonnen werden kann. Dabei steigt der Energiegehalt des Windes kubisch (hoch 3) mit der Windgeschwindigkeit an. So bedeutet z.B. die Verdoppelung der Windgeschwindigkeit eine theoretische Energieausbeute, die achtmal so groß ist.
Wenn wir gerade beim Rechnen sind, dann interessiert Sie vielleicht auch noch, wie viel Leistung man nun aus einer kreisförmigen Flügelfläche herausbekommen könnte. Dabei müssen allerdings von der theoretischen Windleistung noch die tatsächlichen Verluste abgerechnet werden.
Durch genaue Messungen und Berechnungen hat der deutsche Physiker Albert Betz 1919 festgestellt, dass von der theoretischen Windleistung nur höchstens 59% oder 16/27 durch die Flügel einer Windkraftanlage genutzt werden können. Dieser Wert gilt für die Idealflügel, die sich aber praktisch nicht anfertigen lassen. Je nach Flügelzahl, Flügelform, Aufbau des Windrades und den Verlusten bei der Energieumwandlung (Generator, Getriebe) ist die tatsächliche Energieausbeute viel niedriger.
Nach Albert Betz würde dann 1 Quadratmeter Flügelfläche bei 10 m/s Windgeschwindigkeit theoretisch 360 Watt erzeugen können. Dazu kommen aber noch Verluste bei der Umwandlung des erzeugten Stroms in netzkonformen Strom oder Akkuladestrom durch die Wechselrichter oder Laderegler, so dass die effektive Stromausbeute aus dem Wind in der Praxis nur 30 bis 40 % erreicht. Das gilt nur für die modernen Dreiflügler, bei den Westernwindrädern oder den Vertikalwindrädern (senkrechte Achse) ist dieser Wert deutlich schlechter.
Eine genauere Berechnung der Windleistung finden Sie in unserem zweiten Windrad-Fachbuch „Wind ins Netz“, auch als E-Book.
In dem Diagramm haben wir die Windenergieausnutzung der verschiedenen Windradrotoren dargestellt. Die einzelnen Balken zeigen an, wie viel Prozent der vom Wind angebotenen Energie durch die jeweiligen Flügel genutzt werden kann. Bitte beachten Sie: Hier geht es nur um die reine Flügelleistung, die Verluste durch Generator, Getriebe, Reibung oder Stromumwandlung sind nicht berücksichtigt.
Wir müssen also zufrieden sein, wenn wir mit einem modernen Dreiflügler-Kleinwindrad zur Stromerzeugung bei Starkwind aus der Flügelkreisfläche von einem Quadratmeter ca. 160 Watt herausholen können.
Und dieser Wert gilt für den Standort in Meereshöhe, in der „dünneren“ Luft auf Bergen im Binnenland ist die Leistungsausbeute noch einmal bis zu 15 % geringer. Auch deshalb werden Sie in den Alpen kaum Windräder finden.
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