Eigene Standortanalyse für Kleinwindenergieanlage

[Köpke]

Hallo Leute,
meinen Savoniusrotor (den ich noch aufauen will) möchte ich an die Windverhältnisse auf meinem Grundstück anpassen: "Welche Windgeschwindigkeit ist wie häufig vorhanden. Mit welcher Auslegung erreiche ich ein optimales Ergebnis". Dazu habe ich überlegt, eine Standortanalyse durchzuführen. Die wesentlichen Zutaten "Mastfuss, Messtechnik, SQL-Datenbank" sind noch von einem älteren Projekt vorhanden und müssen lediglich wieder reanimiert werden. Lediglich ein Mast (Wunschlänge ca. 5m...10m) fehlt mir noch. Ich verwende wieder meine alte Wetterstation von ELV, eine WS2500 mit Sensoren für Windrichtung und -geschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchte. Die Meßwerte werden dann in eine SQL-Datenbank gespielt und mit einer freien Software von Rainer Krienke (http://www.krienke.org/de/techblog) ausgewertet und dargestellt. Die eigentliche Standortanalyse mache ich dann von Hand bzw. mit einer Tabellenkalkulation.

Einige der alten Sensoren muss ich erst noch reparieren; teilweise sind die Gehäuse schon eingerissen und Wasser eingedrungen. Also werde ich versuchen, die Risse mit einer Heißkleberpistole voninnen zu versiegeln. Die Sensoren waren von 2005 bis jetzt fast ununterbrochen draußen im Wetter. Die Kunststoffgehäuse sind schon stark vergilbt und spröde - die Elektronik im Inneren allerdings noch erstaunlich gut erhalten (siehe Bild unten). Also hoffe ich, dass die Sensorik für die Analyse noch ca. 1 Jahr durchhält.

Wenn alles gut geht, habe ich bis zum Wochenende einen Hilfsmast mit den Sensoren am Hausgiebel oder Garagendach angebracht und die ersten Messertw im Kasten.

Habt ihr schon ähnliches für Eure "Standorte" versucht, oder z.B. über die Wetterdaten benachbarter Wetterstationen, Flughäfen oder Windenergieanlagenbetreiber das bei euch vorhandene Potenzial zu ermitteln?

Windige Grüße
Siegfried

[Bernd]

Hallo Siegfried,
ich habe auch eine Wetterstation am potentiellen Standort für ein Windrad auf meinem Grundstück.
Eine weile lang habe ich Daten mitgelogt, jetzt mache ich das nicht mehr.
Meist ist das enttäuschend wenn das eigene Haus nicht gerade auf freiem Feld steht.
Im Netz kann man auch ungefähre Werte für seinen Standort finden.
Von den Werten die z.B. auf einem Flughafen oder in 100m Höhe ermittelt wurden darf man aber noch ne Menge abziehen.

Ein Windrad für einen Standort mit weniger Wind "zu optimieren" damit es da ebenso gut arbeitet ist aber eher Wunschdenken.
Das einzige was du hinterher weisst ist wieviel Wind im Schnitt bei Dir anliegt. Meistens ist es weniger als man dachte.
Bei der Auslegung des Windrades bringt einem das Wissen aber praktisch nichts, ausser der Erkenntnis das man weniger ernten wird
wenn die Windverhältnisse nicht so gut sind. Am Windrad selbst kann man da nicht tricksen.


Grüsse

Bernd

[Köpke]

Hallo Bernd,

da möchte ich nicht wiedersprechen. Mein Grundstück ist leider auch nicht freistehend. Die Ostseite ist von hohen Bäumen begrenzt, die Südseite von meinem Haus. Im Prinzip befindet sich das Windrad (wenn mann nicht gerade einen sehr(!) hohen Mast aufstellt immer in den Turbulenzzonen von Bäumen, Gebäuden usw.

Was sich aber unter Umständen aus einer ersten Analyse der Windrichtungsverteilung ableiten läßt ist, ob es z.B. eine vorherrschende Windrichtung gibt oder nicht. Das kann bei der Entscheidung Vertikalläufer oder Horizontalläufer, hilfreich sein: Klare Vorzugsrichtung des Windes -> eher über HAT nachdenken, sonst könnte ein VAT sinnvoller sein.

Aus der Analyse der Verteilung der Windgeschwindigkeiten könnte ich ablesen das es tatsächlich weniger als erwartet (erhofft) ist. War amals auch bei mir so. Aber:
Beim Savonius steht ja der Durchmesser des Rotors mit seiner Drehzahl, und damit der anliegenden Windgeschwindigkeit in Zusammenhang. Ich kann also den Durchmesser besser oder schlechter auswählen. Die Höhe des Savonius ergäbe sich den aus der gewünschten Leistung (in meinem Fall des Nabendynamos).

Natürlich, tricksen kann ich nicht, aber den Savonius an die Verhältnisse anpassen. Und wenn dann die 3 Watt auch wirklich aus dem Dynamo "rauskommen" ist es ja gut.

An eine professionelle Standortbestimmung kommt das alles nicht ran, auch weil die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung meist nicht ausreicht. Dazu hat Christian Kirchweger in seiner Masterarbeit (GRIN Verlag 2009) geschrieben, dass es durchaus erhebliche Abweichungen gibt (S.69ff)

Im Prinzip ist es eine Alternative tatsächlich über räumlich benachbarte Werte (Flughafen, u.s.w.) auf den eigenen Standort umzurechnen. Dazu gibt es ja festgelegte Regeln. Vorteil: Es geht schneller, als mit der eigenen Station ein Jahr lang zu messen.

Vielleicht versuche ich beide Methoden - solange ich am Savonius baue habe ich dazu ja Gelegenheit. Aber zuerst werd ich die Sensoren reparieren müssen und den Aufstellort mit meiner Frau diskutieren (müssen) ...


Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,
kurze Wasserstandsmeldung: Meine Sensoren für die Wetterstation WS2500 sind inzwischen repariert und funktionstüchtig: Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur und - feuchte. Demnächst kommen sie an einen 2,5m hohen Behelfsmast am Giebel meines Nebengebäudes.
Der alte Laptop, der früher die Messwerte per RS232 von der Wetterstation übernommen läßt sich kaum noch reanimieren (Tastatur defekt, PCMCIA-LAN-Karte defekt, ...).

Da ich später bei meinem Savonius-Rotor die Drehzahl im laufenden Betrieb messen will, bin ich auf die Idee gekommen, statt des Laptops gleich einen Rasberry PI einzusetzen.
Die Ausstattung müsste dann mindestens folgende Hardware beinhalten:

1. LAN oder WLAN (für die Fernwartung per SSH)
2. Adapter USB zu Serial (für die WS2500)
3. RTC (Echtzeituhr)
4. Elektronik zur Drehzahlmessung

Jetzt die Frage: Benutzt ihr hier auch den Rasberry? Dann wäre ich an einen regen Informationsaustausch interessiert.


Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,
der Raspberry ist bestellt, ein Komplettpaket, jetzt kann die Installation starten, sobald ich wieder daheim bin. Bis dahin nehme ich gerne Tipps und Tricks an - und später natürlich auch noch..

Nachtrag: Wichtig um wirklich ein sofort(!) einsetzbares Paket zu haben:

• Prüfen ob der eigene Bildschirm auch wirklich einen HDMI-Anschluß oder (nur) einen VGA-Anschluß hat. Entsprechenden Adapter gleich mitbestellen.
• Prüfen ob man in der Lage ist die Micro-SD-Karte am eigenen Rechner zu lesen, ansonsten Adapter oder passenden Card Reader besorgen.

(Soweit zu meinen Erkenntnissen, nach dem Auspacken meines Paketes! - Ich muss also nochmal los...)

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,
während ich noch meine Einzelteile für die Messung zusammen sammel, möchte ich schonmal schreiben wie eine solche Auswertung funktionieren kann. Das Thema ist insgesamt etwas länglich, also schreibe ich es in mehreren Teilen.


I. Vorbereitung der Auswertung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung

Vorbereitung ist wichtig, sonst lohnt sich die viee Arbeit nicht. Zuerst muss der auszuwertende Zeitraum festgelegt werden. Da das Windangebot jahreszeitlich schwankt, ist ein Zeitraum von einem Jahr sinnvoll, bei kürzeren Zeiträumen muss, um eine Aussage über den Jahresertrag machen zu können, extrapoliert werden.

Andererseits kommen schnelle große Mengen an Messwerten zusammen. Wenn wir nur alle 10 Minuten messen, ergibt das für einen Zeitraum von 1 Monat gleich 4320 Wertem für Monate schon 12960 Werte und für ein Jahr bereits 51840 Messwerte.

Im nächsten Schritt werden die daten tabellarisch geordnet in einer Tabellenkalkulation abgelegt und auf evtl. Fehler hin untersucht:

• Sind die Messwerte plausibel (negative Windgeschwindigkeiten, zu hohe Geschwindigkeiten, gleichbleibende Windrichtung aufgrund festgefrorener Sensoren, ...)
• Richtige Darstellung des Dezimaltrenner (Komma oder Punkt)
• Lücken in den Messwerten (Ausfall der Sensoren)

Müssen die Daten korrigiert werden, sollte das nicht(!) in den Originaldaten passieren sondern in einer vollständigen Kopie und ausserdem hinter dem korrigierten Wert eine kurze Notiz abgelegt werden (Extraspalte) um Änderungen später noch erkennen zu können.

II. Meswerte der Windgeschwindigeit verarbeiten

Die Daten der Windgewindigkeiten zwischen 0 m/s und der maximal gemessenen Windgeschwindigkeit sollen in Gruppen (Kategorien) zusammengefasst werden, z.B.

• 1. Kategorie: 0 m/s bis 1 m/s
• 2. Kategorie: 1 m/s bis 2 m/s
• 3. Kategorie: 2 m/s bis 3 m/s, u.s.w.

Dabei macht es keinen Sinn die Breite der Kategorie schmaler zu wählen als die Fehlertoleranz der gemessenen Werte.
Beispiel: Der Messwert soll 1,7 m/s sein. sein absoluter Fehler +/- 0,5 m/s. Dann liegt der tatsächliche Wert zwischen 1,2 m/s und 2,2 m/s. Damit wäre seine Einsortierung in die obige Kategorie 2 oder 3 möglich.
Ganz vermeiden läßt sch dieser Effekt natürlich nicht, gerade bei Messwerten die Nahe der Grenze einer Kategorie liegen, trotzdem sollte wenn möglich die Breite der Kategorie immer deutlich größer als die Fehlertoleranz sein. Im Beispiel oben währen Kategorien mit der Breite 1,5 m/s oder 2 m/s sinnvoller (Alle Kategorien sind immer gleich breit).

Was passiert mit Werten die exakt auf der Grenze liegen, z.B. 2 m/s? Dieser Wert kann in Kat.2 aber auch in Kat. 3 eingeordnet werden. Die Lösung sieht so aus:

• 1. Kategorie: > 0 m/s bis <= 1 m/s
• 2. Kategorie: > 1 m/s bis <= 2 m/s
• 3. Kategorie: > 2 m/s bis <= 3 m/s, u.s.w.

Der Wert 2 m/s würde nun eindeutig in Kategorie 2 eingeordnet werden.
Das Einordnen kann nun von Hand (sehr mühselig und fehleranfällig) oder per Tabellenkalkulation (manchmal fehleranfällig) erfolgen.

Microsoft Office bietet zur Auswertung komfortable Tools an. Im entsprechenden Ribbon Datenanalyse (muss ggf. erst installiert werden) die Funktion Histogramm/Pareto wählen. Für OpenOffice gibt es unter http://www.ooowiki.de/H%28c3a4%29ufigke ... ilung.html eine Anleitung (Kapitel: Auszählen mit Funktion Häufigkeit) die die Vorgehensweise sehr gut beschreibt. Ich verwende LibreOffice und hier gilt eine leichte Abwandlung der Anleitung:

• Die Messwerte stehen in Spalte A ab Zeile 2 untereinander. In Spalte D stehen die Obergrenzen der jeweiligen Klasse untereinander (Die Obergrenze ist in die Klasse mit eingeschlossen - wie in meinem Beispiel oben).
• Markieren des Bereichs rechts neben den Klassenobergrenzen.
• Klick auf Funktionsassistent und Kategorie Matrix auswählen und Formel Häufigkeit anklicken.
• Eingeben der Bereiche Daten (unsere Meßwerte) und Klassen (unsere obergrenzen der Klassen)
• Die Tasten [Strg] und [Umschalt] drücken und halten(!)
• Die Taste [Return] drücken (Das ist nötig weil es sich hier um eine Matrixformel handelt)

Das Histogramm liegt nun als Tabelle vor und kann als Balkendagramm angezeigt werden. Es zeigt nun die absolute Häufigkeit an. Jede Balken steht für eine Klasse. Die Höhe der Säule gibt die Anzahl der Messwerte wieder. So wird erkennbar welche Windgeschwindigkeit im untersuchten Zeitraum am häufigsten aufgetreten ist und welche z. B. nicht.

Falls wir z.B. 10-Minutenwerte verwendet haben, können wir die Anzahl der Messwerte je Balken im Diagramm mit 10 Minuten multiplizieren. Wenn wir das für jeden Balken durchführen, können wir zu jeder Windgeschwindigkeit sagen, wie lange diese im untersuchten Zeitraum vorhanden war. Damit haben wir eine erste Aussage welche Windgeschwindigkeiten an unserem Standort vorherrschen.

Zur Kontrolle des Diagramms kann es sinnvoll sein, die absoluten Werte aller Balken aufzuaddieren, es muss der Gesamtzahl aller Messwerte entsprechen - ansonsten sind Werte "verloren" gegangen.

III. Messwerte der Windrichtung verarbeiten
... kommt in der nächsten Textwüste ...

Ich finde es nicht leicht "Anleitungen" wie diese hier zu schreiben. Was kann man als bekannt vorraussetzen, was muss unbedingt erwähnt werden. Aber ich bin in der Lage aus feedback zu lernen

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

jetzt also der nächste Teil der Auswertung:

III. Messung der Windrichtung verarbeiten

Nach genau der gleichen Methodik wie schon für die Windgeschwindigkeit, kann auch die Windrichtung analysiert werden. Als Ergebnis würde sich wieder ein Paretodiagramm ergeben (Säulendiagramm, s. u.). Der Balken mit der Beschriftung 30 wäre dann die Windrichtungshäufigkeit für den Bereich 0°...30° auf der Windrose, u.s.w.

Bei einer Breite der Kategorien von 30° ergeben sich 12 Kategorien insgesamt, sicher sind auch 16 Kategorien noch sinnvoll, zumal diese dann mit den üblichen Bezeichnungen N, NNO, ONO, O, u.s.w. versehen werden können. Eine feinere Aufteilung ist meiner Meinung nach nicht unbedingt sinnvoll, weil Messungen die von uns im prvaten Bereich durchgeführt werden i.d.R. im turbulent vermischten Bereich von Häuser, Bäumen und ähnlichem stattfinden.

Der Versuch eine Windrose als Diagramm zu erzeugen für zu der "schiefen" Darstellung rechts neben dem Säulendiagramm. Toll sieht das nicht aus und erschwerend kommt hinzu, das Norden jetzt nicht mehr oben ist, sondern auf der Linie zwischen 360° und 180°, also etwas nach links gedreht. Osten ist jetzt bei 90°, allerdings auch erst nachdem man die Zählrichtung von linksherum auf rechtsherum umgestellt hat. Eigentlich wäre ein Diagramm entsprechend der Handskizze sehr viel einfacher zu lesen, und "schöner" (Falls jemand einen Trick für Office auf Lager hat - immer her damit).

Die Interpretation der Diagramme könnte so aussehen: Während die Handskizze keine klare vorherrschende Windrichtung erkennen läßt (gut für VAT's, schlecht für HAT's), zeigt das Office-Diagramm eine deutliche Häufung aus nordöstlichen Richtungen (Gut für HAT's, egal bei VAT's).

Damit hätte man eine Entscheidungshilfe für die Wahl zwischen den beiden Anlagentypen zur Hand.

Mit den beiden Diagrammen Verteilung der Windgeschwindigkeit und Verteilung der Windrichtung, kann man nun schon eine halbwegs realistische Einschätzung des Standortes durchführen:

• Es sind die vorhandenen Windgeschwindigkeiten bekannt.
• Die Häufigkeit derjeweiligen Windgeschwindigkeit ist bekannt.
• Die vorherrschenden Windrichtungen sind bekannt.

Damit läßt sich auch ermitteln wo auf dem Grundstück der optimale Platz für ein Windrad ist, oder ob man z. B. durch Fällen von Bäumen noch etwas "optimieren" kann (damit möchte natürlich nicht das rigorose Abholzen befürworten).

Kennt man jetzt die Leistungskennlinie der geplanten Anlage. kann man recht genau ausrechnen, ob, die Angaben des Herstellers realistisch sind, oder ob die eigenen Vorstellungen der Windernte zum Standort passen. Wie mann das machen kann schreibe ich dann wieder im nächsten Beitrag.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

heute hatte ich seit längerem wieder etwas Zeit für mein Projekt. Der Wettermast zur Messung an meinem Standort ist endlich "aufgestellt". Ich habe ihn am Giebel des Nebengebäudes ca. 1,90m über dem Dachfirst befestigt. Damit ist er ungefähr auf gleicher Höhe und 5m Luftline vom Standort des zukünftigen Savonius-Rotors entfernt.
Die Wetterstation liefert bereits die ersten Messwerte, allerdings werden die Daten noch nicht in die Datenbank geschrieben; mir fehlt noch etwas Hardware um sie einzurichten.

MIt etwas Glück geht es nächste Woche weiter.

Windige Grüße
Siegfried

[kredo01]

Hi Köpke,

Hab mich vor einer Weile mit ganz ähnlichem beschäftigt und den Tread kurz überflogen.
Bei der Aufzeichnung der Windrichtung solltest du beachten, dass diese nur Ausgewertet wird, wenn auch eine gewisse Geschwindigkeit vorhertscht (z.B. >1m/s).
Ansonsten ist das resultierende Diagram durch die Windstille (die du ab und an mal haben wirst ) verfälscht.

Noch bessser:
Eine Windrose mit integrierter Geschwindigkeitsklassifizierung:
https://www.google.at/search?q=windrose+geschwindigkeit&espv=2&biw=1920&bih=955&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=1bJ9VN7eCenhywOe74DoCw&ved=0CAYQ_AUoAQ#facrc=_&imgdii=_&imgrc=4DM4hXOkQRrrCM%253A%3B8OuUwmZdszqwTM%3Bhttp%253A%252F%252Fupload.wikimedia.org%252Fwikipedia%252Fcommons%252F7%252F70%252FWind_rose_plot.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fde.wikipedia.org%252Fwiki%252FWindrose_(Meteorologie)%3B669%3B526

Falls du dir darüber schon gedanken gemacht hast, und ich das ggf. überlesen hab, bitte ich höflichst um Entschuldigung...

[Köpke]

Hallo kredo01,

also Gedanken habe ich mir bei meiner ersten Windpotenzialanalyse nicht. Ich bin damals drauf gestossen, als ich mir die Weibullverteilung angeschaut habe: Sah ganz gut aus, aber es gab einen sehr hohen Peak ganz links der so nicht erklärbar war. Da habe ich nachgeschaut und festgestellt, das eben die Windfahne sensibler ist, sie ändert bereits die Richtung wenn sich das Schalenkreuz noch nicht dreht.

Als ich das dann rausgefiltert hatte, passte Weibull wieder gut. Also ein ganz wesentlicher Hinweis von deiner Seite.

Windige Grüße
Siegfried