Windsnelheid

Meten is weten

De wind wordt gemeten op een mast met een anemometer of windmeter. Dit instrument werd in 1846 geÔntroduceerd door de Ierse astronoom Thomas Romney Robinson (1792-1882). De windrichting wordt boven land bepaald met een windvaan. Op voorschrift van de Wereld Meteorologische Organisatie worden windmeters op weerstations geplaatst in een open terrein op een mast van 10 meter hoogte. In een volgebouwd land als BelgiŽ wordt het steeds moeilijker om geschikte meetlocaties te vinden. Om storende invloeden van gebouwen of bomen te beperken worden de meters soms hoger geplaatst. Met formules wordt de meting omgerekend naar 10 meter hoogte, zodat de gegevens vergelijkbaar zijn. Ook is er in de loop der jaren veel veranderd aan het meetnet, waardoor windgegevens uit de eerste helft van de 20e eeuw niet vergelijkbaar zijn met die van later datum. Tegenwoordig geven automatische weerstations continu (digitaal) informatie over de wind.

De wind wordt bepaald over periodes van 10 minuten. Wanneer in het weerbericht wordt gesproken over windkracht 8 dan wordt verwacht dat de windsnelheid gemiddeld over 10 minuten tussen 17,2 en 20,7 m/seconde (62-74 km/uur) ligt. Zo hoort bij elk van de dertien klassenummers volgens de schaal van Beaufort een gemiddelde. In de scheepvaart werkt men met knopen: ťťn knoop komt overeen met 0,5144 meter/seconde. Actuele informatie bij storm gaat over het 10 minuut-gemiddelde of kortdurende windstoten. Gegevens die tijdens een storm worden gemeld zijn voorlopig; achteraf moeten vaak correcties worden toegepast. Wanneer een windstoot bijvoorbeeld sterk afwijkt van het gemiddelde wordt de waarde als verdacht gekenmerkt en nader onderzocht.

Voor klimatologische statistieken en vergelijking van stormen wordt gebruik gemaakt van uurgemiddelden. Klimatologen spreken van een zware storm wanneer de windsnelheid ergens boven land een uurgemiddelde haalt van windkracht 10, dat wil zeggen tussen 24,5 en 28,4 m/seconde (89-102 km/uur). Ligt de windsnelheid gemiddeld over een uur tussen 28,5 en 32,6 meter/seconde (103-117 km/uur) dan wordt de storm achteraf geboekt als een zeer zware storm en boven 32,6 m/seconde (118 km/uur) als orkaan.

De winddruk, de eigenlijke door de wind uitgeoefende kracht op een lichaam (voorwerp), is evenredig met de loodrecht op de windrichting staande oppervlakte en met het kwadraad van de windsnelheid. De kinetische energie van de bewegende luchtmassa is de Windenergie:

P = 1/2ρ . v3 . Pi . r2

ρ = (rho) luchtdichtheid (droge lucht = 1225 kg/m3)
v = windsnelheid in m/s
Pi = 3,1415926535...
r = straal (helft van diameter) van de rotor gemeten in meters

Het maximaal aan de wind te onttrekken vermogen is ongeveer 60% van het kinetisch vermogen.

Een cup-anemometer

De windmeter die het meest gebruikt wordt op weerstations, is de cup-anemometer. Een cup-anemometer bestaat uit uit drie halve bollen die kunnen ronddraaien om een as. Hoe harder het waait, hoe meer wind de bollen vangen en hoe sneller de anemometer ronddraait. Door het aantal omwentelingen per tijdseenheid te registreren, kan op ieder moment de windsnelheid berekend worden.

Do-it-Yourself!

Alle onderdelen: cups, stuk ijzeren buis, plastiek deksel, as, lagerhouder, uitgesneden alluminium plaat, boutjes... De cups: Als cup kan je bijvoorbeeld het bolvormig gedeelte van een sauslepel gebruiken. Bevestig ze met een bout op het alluminium vlak. Lagerhouder: Deze is afkomstig uit een oude video. (Het mechanisme waar de videoband rond draait.) Eventjes onder de draaibank en het paste perfect in het stuk ijzeren buis.
Als as heb ik een stuk draadstang genomen. Het onderste gedeelte van de schroefdraad is onder de draaibank weggedraaid zodat het in de lagerhouder past. Het bovenste gedeelte met schroefdraad wordt gebruikt om het deksel en het alluminium grondvlak met de cups vast te zetten via moertjes.
Het resultaat: Na een likje verf, een soepel draaiende cup-anemometer.

De cup-anemometer elektronisch uitlezen

We moeten het aantal omwentelingen per tijdseenheid zien te registreren. Bij elke omwenteling moeten we een puls krijgen. Hiervoor heb ik gebruik gemaakt van een 'Optical Interrupter Switch' (H22B2). Dat is een klein elektronisch componentje dat enerzijds bestaat uit een LED (light emitting diode, zendt licht uit wanneer er een kleine stroom doorheen wordt gestuurd.) en anderzijds uit een detector. Deze staan op een afstand van 3 mm van elkaar. Indien je er een plaatje tussen houdt ziet de detector geen licht meer en wordt de uitgaande stroom onderbroken.

Om de pulsen mooi blokvormig te maken staat er op de schakeling nog een 'Hex Schmitt Trigger' (MC14584B).

Do-it-Yourself!
Alle onderdelen: 1x Optical Interrupter Switch H22B2, 1x Hex Schmitt Trigger MC14584B, 2x weerstand 10K 0.25W, 2x kabelvoetje, 1x printplaat met eilandjes.

Het signaal dat via pin 2 van de Schmitt Trigger naar buiten komt wordt ingelezen op een digitale input poort van de PLC. Dit geeft als resultaat een 0 of een 1. Een 0 wanneer de doorgang tussen de LED en de detector verspert is. Een 1 wanneer de doorgang niet versperd wordt. Telkens wanneer de status veranderd van 1 naar 0 en terug naar 1, dan heeft de anemometer een omwenteling gemaakt. Het aantal omwentelingen wordt bijgehouden over bepaalde tijdsintervallen.

De schaal van Beaufort

kracht benaming km/h m/s uitwerking boven land en bij mens
0 stil 0-1 0-0,2 rook stijgt recht of bijna recht omhoog
1 zwak 1-5 0,3-1,5 windrichting goed af te leiden uit rookpluimen
2 zwak 6-11 1,6-3,3 wind voelbaar in gezicht, weerhanen tonen nu juiste richting, blad ritselt
3 matig 12-19 3,4-5,4 opwaaiend stof, vlaggen wapperen, spinnen lopen niet meer
4 matig 20-28 5,5-7,9 papier waait op, haar raakt verward, geen last van muggen meer
5 vrij krachtig 29-38 8,0-10,7 bladeren van bomen ruisen, gekuifde golven op meren en kanalen, vuilcontainers waaien om
6 krachtig 39-49 10,8-13,8 problemen met paraplu's
7 hard 50-61 13,9-17,1 het is lastig tegen de wind in te lopen of te fietsen
8 stormachtig 62-74 17,2-20,7 twijgen breken van bomen, voortbewegen zeer moeilijk
9 storm 75-88 20,8-24,4 schoorsteenkappen en dakpannen waaien weg, kinderen waaien om, takken breken af, alleen zwaluwen en eenden vliegen nog
10 zware storm 89-102 24,5-28,4 grote schade aan gebouwen, volwassenen waaien om, bomen raken ontworteld, vogels blijven aan de grond
11 zeer zware storm 103-117 28,5-32,6 grote schade aan bossen
12 orkaan >117 >32,6 verwoestingen

Windsnelheden in Europa

De paarse en rode gebieden zijn geschikt voor windmolen parken.
De gemiddelde snelheid in BelgiŽ is 5 m/s.