Kontakt

Universität Oldenburg
Institut für Physik - ForWind
M. Sc. Marijn Floris van Dooren
Küpkersweg 70 
D-26129 Oldenburg

Tel: +49 (0)441 / 798-5064
Email:

 

T

Lidar & Wakes

Die Fernerkundungstechnik Lidar

Lidar (Abkürzung für „Light detection and ranging“) ist eine Fernerkundungstechnik zur Messung der Windströmung, die sowohl in der Industrie als auch in der Windenergieforschung Anwendung findet. Das Messverfahren funktioniert ähnlich wie die Radarfalle bei der Verkehrskontrolle, nur dass hier nicht die Geschwindigkeit des Verkehrsteilnehmers gemessen wird, sondern die Geschwindigkeit winziger Partikel und Tröpfchen, die sich in der Luft befinden und vom Wind transportiert werden. Die Windindustrie verwendet die Lidar-Technik hauptsächlich, um Windenergieressourcen zu bewerten und die Windgeschwindigkeit bei der Vermessung der Leistungskurve von Windenergieanlagen zu bestimmen. Wir messen mit Lidar-Geräten beispielsweise komplexe Windströmungen eines gesamten Windparks oder in unmittelbarer Nähe einzelner Windenergieanlagen. Mit den Messergebnissen lässt sich die Wechselwirkung zwischen Windturbinen und Strömung besser verstehen. Dieses Wissen nutzen wir dann zur Steigerung der Effizienz von Windturbinen und Windparks.

 

Messung der Nachläufe von Windenergieanlagen

Strömt der Wind durch den Rotor einer Windturbine, wird ihm mechanische Energie entzogen. Dadurch entsteht hinter der Turbine eine Nachlaufströmung, die sich stromabwärts ausbreitet. In dieser Strömung ist die Windgeschwindigkeit geringer und die Turbulenzen größer. Anlagen, welche in diesem Nachlauf liegen, erzeugen weniger Energie und sind höheren strukturellen Belastungen ausgesetzt. Eine genaue Kenntnis der Nachläufe spielt eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Designs geplanter Windpark. In bestehenden Windparks kann bei Kenntnis der Position und der Ausbreitung des Nachlaufs die Windparkleistung durch geschickte Steuerungsstrategien optimiert werden. Hierfür untersuchen wir das dynamische Verhalten der Nachläufe und entwickeln Computermodelle zu ihrer Beschreibung.

Nachlaufströmungen können sich kilometerweit hinter einer Turbine erstrecken. Um die Strömung in und um Windparks, sowie auch weiter entfernte Nachlaufströmungen zu messen, nutzen wir drei lang-reichweitige scannende Lidarsysteme Leosphere WLS-200S. Mit diesen Systemen ist es möglich, die Windgeschwindigkeit über einem großen Gebiet, wie einen kompletten Windpark, in relativ kurzer Zeit zu messen. Ein weiteres Forschungsgebiet, in dem wir diese Lidar-Geräte einsetzen sind Kurzeitprognosen, die verlässlich Windgeschwindigkeit und -richtung und damit die zu erwartende Leistung einer Anlage oder Windparks vorhersagen können.

Messung des einströmenden Windes an einer Windenergieanlage

Neben der Untersuchung von Nachlaufeffekten setzt unsere Forschungsgruppe Lidar-Geräte auch zur Messung des einströmenden Windes an Windenergieanlagen ein. Um die Wechselwirkung zwischen Windenergieanlage und Windströmung besser zu verstehen, müssen wir den auf die Windturbine einwirkenden Wind charakterisieren. Zur Messung des einströmenden Windfeldes direkt vor einer Anlage nutzen wir ein kurz-reichweitiges Dauerstrich – Lidar. Das „SpinnerLidar“ ist dabei im rotierenden Spinner oder auf der Gondel der Windenergieanlage montiert und scannt einen kreisrunden Ausschnitt des einströmenden Windfeldes. In diesem Ausschnitt kann das SpinnerLidar jede Sekunde an maximal 500 verschiedenen Punkten messen. So werden sowohl die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die vertikale Scherung als auch die Turbulenz erfasst. Diese Winddaten gleichen wir mit den Sensordaten der Windenergieanlage ab. So sehen wir, welche Windmuster welche Auswirkungen auf das Anlagenverhalten haben.

Messgeräte

Das Team Lidar & Wakes innerhalb der Forschungsgruppe Windenergiesysteme verfügt derzeit über eine Flotte von sieben Lidaren, mit gepulsten als auch Dauerstrich-Lasern. Folgende Tabelle zeigt eine Auflistung der vorhandenen Geräte.

Lidar Typ Anzahl
Leosphere WindCube 200S   Long-range, pulsed 3
Leosphere WindCube 400S     Long-range, pulsed 1
DTU SpinnerLidar Short-range, continuous wave 1
DTU WindScanner Short-range, continuous wave 2

Der Leosphere WindCube Scan ist ein gepulstes lang reichweitiges-Lidar, welches Windgeschwindigkeiten in mehreren Entfernungen, bis einer Reichweite bis mehreren Kilometern gleichzeitig messen kann. Die große Reichweite ermöglicht die Messung großer Windfelder, z.B. die Erfassung der Anströmung oder der Nachlaufeffekte ganzer Windparks. Die Standardabtastrate liegt zwischen 0,5 Hz und 10 Hz. Im Vergleich zu Kurzstrecken-Lidaren haben die WindCubes eine geringere räumliche und zeitliche Auflösung, können demgegenüber allerdings erheblich größere Flächen abdecken. WESys besitzt drei WindCube200S-Lidare mit einer typischen Reichweite von 6 km bis 8 km bei einer Datenrate von 1 Hz und einem WindCube400S mit einem typischerweise erreichbaren Bereich von 12 km bis 14 km bei 1 Hz.


Leosphere WindCube auf Gondeldach

Das SpinnerLidar wurde von DTU Wind Energy und IPU auf der Grundlage der bestehenden Dauerstrich-Doppler-Lidar-Technologie entwickelt und gebaut. Es umfasst ein handelsübliches ZephIR 300 Lidar mit einem kundenspezifischen 2D-Scankopf, um 2D-gescannte Windfelder mit hoher räumlicher und zeitlicher Abdeckung zu erfassen. Zunächst ist es für die Installation und den Betrieb im rotierenden Spinner einer Windenergieanlage konzipiert. Oft ist es allerdings praktikabler, das Gerät auf der Gondel hinter dem Rotor einer Windkraftanlage zu installieren. Die aktuelle, aktualisierte Version des Geräts verfügt über einen Scankopf, der aus zwei 15°-Prismen besteht, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen und eine feste "rosettenförmige" Scanbahn erzeugen, die eine optimale Flächenabdeckung mit hoher räumlicher Auflösung bietet. Das SpinnerLidar hat einen Messbereich zwischen 10 m und 150 m und eine maximale Abtastfrequenz von 500 Hz. Die maximale Windfeldmessfrequenz, d. h. die "Auffrischungsrate" der kompletten Rosettenfigur, beträgt 1 Hz.


ForWind Wissenschaftler Marijn van Dooren prüft das SpinnerLidar

Der Kurzstrecken-WindScanner ist ein weiteres von DTU Wind Energy und IPU hergestelltes Gerät, das ebenfalls auf einem modifizierten ZephIR 300-Lidar basiert. Der WindScanner ist ein bodengestütztes Dauerstrich-Lidar, das mit einem zweiten oder auch dritten Gerät zeitlich und räumlich synchronisiert werden kann, wodurch die Messung von 2D- bzw. 3D-Windfeldern ermöglicht. Bei den von WESys erworbenen Geräten handelt es sich um zwei der neueren WindScanner mit einer 6" Apertur, die einen doppelten Messbereich im Vergleich zu den älteren 3" WindScannern ermöglicht. Der erreichbare Messbereich liegt hierdurch zwischen 20 m und 300 m bei einer maximalen Abtastrate von 500 Hz. Der WindScanner verfügt über ein zweiachsiges Prismen-Scanning-System, das den Laserstrahl mittels einer Fokussierungslinse und zwei rotierenden Prismen zur Strahlsteuerung innerhalb eines Öffnungswinkels von 120° frei nach den Vorgaben des Benutzers fokussieren und ausrichten kann.


WindScanner im Einsatz

(Stand: 02.08.2021)