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Windkanalmesseinrichtung für die Validierung des bistatischen PTB-Wind-Lidar als Bezugsnormal

02.11.2018

Im neuen „Kompetenzzentrum für Windenergie“ (CCW) der PTB ist Anfang dieses Jahres eine Windkanalmesseinrichtung in Betrieb genommen worden, mit der das an der PTB entwickelte bistatische Wind-Lidar eingehend charakterisiert und als Bezugsnormal für andere Windfernmesssysteme validiert werden soll. Der speziell an die Anforderungen entwickelte Windkanal zeichnet sich durch eine hohe Strömungsqualität aus und befindet sich auf einer Zwischenebene in ca. 8 m Höhe im Euler-Bau I des CCW, so dass das PTB-Lidar unterhalb der Messstrecke des Windkanals positioniert werden kann.

Die genaue Bestimmung des Windgeschwindigkeitsvektors spielt im Bereich der Windenergie eine zentrale Rolle. Beispielsweise wird die Standortwahl von Windparks hauptsächlich durch die mittlere am Standort zur Verfügung stehende „Menge an Wind“ bestimmt. Hierzu werden Windpotenzialanalysen durchgeführt, bei denen die Windgeschwindigkeit über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr am betreffenden Standort gemessen wird. Die Genauigkeit der Windgeschwindigkeitsmessung hat dabei einen hohen Einfluss auf die Planungssicherheit bezüglich des zu erwartenden Ertrags der Windparks.

Mit dem an der PTB entwickelten bistatischen Wind-Lidar wurde erstmals ein optisches Windfernmesssystem realisiert, das sich potentiell für rückführbare Windgeschwindigkeitsmessungen sowohl in einfachem (homogene Strömungsfelder) als auch in komplexem (inhomogene Strömungsfelder) Gelände einsetzen lässt [1, 2]. Vergleichsmessungen mit einem Windmessmasten bestätigen, dass die Messabweichungen zum Windmessmasten innerhalb der Messunsicherheit der Schalensternanemometer liegen, sowohl in ungestörten (homogenen) als auch in gestörten (inhomogenen) Windströmungsfeldern, und dass die hohe zeitliche und örtliche Auflösung des PTB-Lidars zu einer reduzierten Messunsicherheit im Vergleich zu konventionellen monostatischen Systemen führen kann [3].

Um eine detailliertere Untersuchung der Messgenauigkeit des PTB-Lidars durchzuführen und es für seinen zukünftigen Einsatz als Bezugsnormal im Bereich Windfernmessung zu validieren, wurde Anfang dieses Jahres im Euler-Bau I des „Kompetenzzentrums für Windenergie“ (CCW) eine speziell für diese Zwecke ausgelegte Windkanalmesseinrichtung mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) als Bezugsnormal in Betrieb genommen. Die Windkanalmesseinrichtung befindet sich in dem Gebäude auf einer Zwischenebene in 8 m Höhe, sodass das PTB-Lidar unterhalb der Messstrecke des Windkanals positioniert werden kann. Aufgrund der Abmessungen der Zwischenebene und einer auf der Zwischenebene einzuhaltenden Messstreckenposition waren hohe Anforderungen an die Auslegung des Diffusors und der Beruhigungskammer des Windkanals gestellt. Zusätzlich sollte der Windkanal eine hohe Strömungsqualität, d.h. einen niedrigen Turbulenzgrad und eine hohe Homogenität der Strömung, aufweisen.

Bild 1: Links: Foto der Windkanalmesseinrichtung im EULER-Gebäude I der PTB mit bistatischem PTB-Wind-Lidar. Rechts: Technische Daten des Windkanals, Skizze der Windkanaldüse und Charakterisierungsmessungen der Windkanalströmung (laterale Homogenität) an drei verschiedenen Messstreckenpositionen über eine Fläche von jeweils 40 cm x 40 cm (Rastermaß 1 cm).

Eine erste Langzeitvergleichsmessung zwischen PTB-Lidar und dem LDA-Bezugsnormal im Windkanal zeigt bereits ein vielversprechendes Ergebnis mit einer Abweichung von unter 0,1 % zwischen den beiden gemessenen Geschwindigkeiten. Weitere detaillierte Messungen werden zukünftig durchgeführt, um die Messunsicherheit des PTB-Lidars zu bestimmen und den Einfluss von Parametervariationen (z. B. Dejustageeffekte der Lidar-Detektionsoptiken) zu untersuchen.

Literatur:

[1] Eggert, M., Müller, H., Többen, H., 2011: „Konzeption eines Doppler-Lidar-Transfernormals zur
Windgeschwindigkeitsmessung“, Proceedings 19. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der
Strömungsmesstechnik", 45/1-45/6, Opens external link in new windowLink

[2] Eggert, M., Müller, H., Többen, H., 2013: „Doppler-Lidar-Transfernormal zur ortsaufgelösten,
vektoriellen Windgeschwindigkeitsmessung“, Proceedings 21. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in
der Strömungsmesstechnik", 43/1-43/7, Opens external link in new windowLink

[3] Eggert, M., Gutsmuths, C., Müller, H., Többen, H., 2016: „Zeitaufgelöste, vektorielle
Vergleichsmessungen zwischen dem Doppler-Lidar-Transfernormal der PTB und einem 135 m hohen
Windmessmasten“, Proceedings 24. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik",
3/1-3/7, Opens external link in new windowLink

Ansprechpartner:

Stefan Oertel, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: Opens window for sending emailstefan.oertel(at)ptb.de