Windmessung per LiDAR – wie funktioniert es?

Mit jedem Höhenmeter nimmt die durchschnittliche Windgeschwindigkeiten zu und sinkt die Bremswirkung von Hügeln, Vegetation und anderen Hindernissen am Boden. Daher arbeiten moderne Windenergieanlagen mittlerweile auf Nabenhöhen zwischen 120 und 160 Metern. Die 70 bis 100 Meter langen Rotorblätter ragen am höchsten Punkt weit über 200 Meter in die Höhe. Daraus ergibt sich für Planer ein Problem: Windmesstürme sind üblicherweise nur 100 Meter hoch.

Um höhere Luftbewegungen exakt zu messen, sind Doppler-LiDAR-Systeme im Einsatz. Die bodenbasierten Messgeräte senden Laserstrahlen gen Himmel. Dort treffen sie Partikel und Aerosole in der Luft, die das Licht reflektieren. Aus dessen Laufzeit lässt sich die Messhöhe ableiten. Die Windgeschwindigkeiten und Windrichtung ermitteln die Systeme anhand jener Doppler-Verschiebung, welche die Bewegung der rückstreuenden Teilchen auslöst.

Teils messen Windparkbetreiber auch den Wind vor den laufenden Anlagen und wenden das LiDAR-Verfahren dafür horizontal an. Die Messgeräte werden auf den Turbinen postiert und messen mit mehreren Laserstrahlen die Luftbewegungen bis einige hundert Meter vor dem Rotor. Die Befunde dienen der exakteren Ausrichtung der Turbinen im Wind und helfen, den Betrieb im Sinne höherer Erträge und geringerer Belastung der Anlagen zu optimieren, weil die LiDAR-gestützte Steuerung proaktiv auf Böen und Turbulenzen reagieren kann.

Übrigens: Mit LiDAR-Technik erstellt auch der ESA-Forschungssatellit Aeolus Windprofile. Er umkreist die Erde auf 320 km Höhe und sendet kurze UV-Lichtpulse zur Erdoberfläche. Ein Teleskop sammelt das an Aerosolen und Staubpartikeln gestreute Licht, wertet die Laufzeit der Strahlung und die Frequenz aus – und leitet globale Windprofile vom Boden bis 30 km Höhe daraus ab.