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Erster Feldeinsatz des Wind-Lidar-Systems der PTB

22.09.2015

Das von der PTB neu entwickelte Lidar-System erlaubt die präzise Bestimmung des Windvektors in Höhen von 5 m bis über 200 m. Im Gegensatz zu konventionellen Wind-Lidar-Systemen, welche hierfür nahezu homogene Strömungsfelder voraussetzen, kann das von der PTB entwickelte Wind-Lidar auch in komplexen Geländestrukturen eingesetzt werden. Bei einem ersten Feldeinsatz wurden Vergleichsmessungen zwischen dem Lidar-System der PTB und einem kalibrierten Schalensternanemometer in 100 m Höhe durchgeführt. Obwohl die Strömung durch Nachlaufwirbel einer Windkraftanlage gestört war, wurden Abweichungen im Bereich von lediglich 1 % festgestellt.

Lidar-Systeme ermöglichen die bodengestützte Messung von Windgeschwindigkeiten, indem ausgesendetes Laserlicht an Partikeln (Aerosolen) in der Strömung gestreut und wieder empfangen wird. Die aufgrund des Dopplereffekts entstandene Frequenzverschiebung des Streulichts wird ausgewertet und dient zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Aerosols. Konventionelle, sogenannte monostatische Wind-Lidar-Systeme erfassen dabei nur die Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung, so dass sie zur Bestimmung eines Windvektors ihren Laserstrahl in verschiedene Richtungen schwenken müssen. Da somit zwangsläufig verschiedene Geschwindigkeitskomponenten an verschiedenen Orten aufgenommen werden, setzt dieses Verfahren nahezu homogene Strömungsfelder im Schwenkbereich des Laserstrahls, also im Umkreis bis zu 100 m voraus. In komplexen Geländestrukturen jedoch können Inhomogenitäten des Strömungsfeldes zu Messabweichungen in der Größenordnung von 10 % führen.

Im Gegensatz hierzu nutzt das von der PTB neu entwickelte, sogenannte bistatisches Wind-Lidar-System einen optischen Sender und drei Empfänger, welche aus unterschiedlichen Richtungen auf den gleichen Messort fokussiert werden. Dies erlaubt die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors einzelner Aerosole, so dass Inhomogenitäten des Strömungsfeldes die Messung nicht verfälschen können. Zudem ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung aller Geschwindigkeitskomponenten eine hohe Zeitauflösung und das räumlich stark begrenzte Messvolumen von unter einem Kubikdezimeter eine hohe Ortsauflösung.

 

Bild 1: Aufbau des bistatischen Wind-Lidar-Systems auf einem Anhänger

 

 

Bild 2: Einsatz des Lidar-Anhängers neben einem Windmessmast

 Nachdem im Vorjahr bereits erfolgreiche Messungen mit einem offenen Versuchsaufbau des PTB-Lidar-Systems durchgeführt werden konnten, erlaubt das inzwischen wetterfest eingebaute und auf einen Anhänger montierte System (siehe Bild 1) auch einen Messeinsatz bei schwierigen Witterungsverhältnissen und an beliebigen Einsatzorten. So konnten mittlerweile Vergleichsmessungen zwischen dem PTB-Lidar-System und einem mit kalibrierten Schalensternanemometern bestückten Windmessmast durchgeführt werden (Bild 2). Ein direkter Vergleich der über einen Zeitraum von 12 Stunden in einer Höhe von 100 m mit einer Zeitauflösung von 10 s aufgezeichneten Geschwindigkeiten ist in Bild 3 dargestellt. Obwohl sich Lidar-System und Messmast in diesem Zeitraum in den Nachlaufwirbeln einer Windkraftanlage befanden, zeigen die Mittelwerte der gemessenen Geschwindigkeiten lediglich eine Abweichung von etwa 1 %.

 

Bild 3: Vergleich der in 100 m Höhe gemessenen Geschwindigkeiten

 

Während die bisherigen Messergebnisse bereits die Einsetzbarkeit unter komplexen Strömungsverhältnissen belegen, sind für die Nutzung des neuen Lidar-Systems zur Bewertung und Verbesserung der bisherigen messtechnischen Rückführung entsprechend der IEC 61400-12-1 Langzeitmessungen bei unterschiedlichen Windverhältnissen erforderlich. Die Schaffung der hierzu nötigen Voraussetzungen für einen autarken Langzeitbetrieb bildet den derzeitigen Schwerpunkt der Systementwicklung.

 

Literatur:

M. Eggert, C. Gutsmuths, H. Müller, H. Többen: „A New Bistatic Wind LiDAR for Highly Resolved Wind Vector Measurements“, Proceedings DEWEK 2015 - German Wind Energy Conference, 04.5/1 - 04.5/3, 2015

C. Gutsmuths, M. Eggert, H. Müller, H. Többen: „Zeitaufgelöste, vektorielle Vergleichsmessungen zwischen dem Doppler-LIDAR-Transfernormal der PTB und konventionellen LIDAR-Systemen“, Proceedings der 23. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 65/1 - 65/7, 2015

Ansprechpartner:

Michael Eggert, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: Opens window for sending emailmichael.eggert(at)ptb.de