Dipl. Met. Ludwig Wagner GWU-Umwelttechnik GmbH Bonner Ring Erftstadt

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1 WOL World of LiDAR s Dipl. Met. Ludwig Wagner GWU-Umwelttechnik GmbH Bonner Ring Erftstadt

2 Kurzporträt GWU-Umwelttechnik GmbH messen speichern auswerten 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 2

3 Kurzporträt GWU-Umwelttechnik GmbH GWU-Umwelttechnik (seit 1986) Geschäftsführende Gesellschafter (Dipl. Met. Günter Warmbier / Dipl. Met. Ludwig Wagner) Mitarbeiteranzahl : 16 (Stand 2016) 4 Meteorologen 5 Ingenieure 3 Techniker 4 Administration&Büroangestellte Werksvertretung von führenden Herstellern für Sensor- und Systemmesstechnik Spezialisierung auf Remote Sensing Qualifikation / Mitgliedschaften 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 3

4 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 4

5 DIAL Wolken World of LiDAR s Raman Aerosol Wind

6 LiDAR Light Detection And Ranging Aktives Fernmessgerät zur kontinuierlichen und entfernungsabhängigen Erfassung von physikalischen Zustandsgrößen der Atmosphäre (z.b. Temp., Feuchte, Wind) Plattformen: flugzeuggetragen satelittengetragen gondelbasiert schwimmend bodengebunden Wolken DIAL World of LiDAR s Raman Fokus auf Doppler Wind LiDAR Wellenlänge = 1,54 µm Aerosol Wind 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 6

7 LiDAR Light Detection And Ranging V r V 1 LiDAR sendet Lichtimpuls in die Atmosphäre mit der Referenzfrequenz f l. l l 2 f d 2 Rückstreuung der Photonen an Aerosolen 4 Ergebnis : Radialgeschwindigkeit (LOS) Windgeschwindigkeit und -richtung 3 Rückgestreutes Signal wird ausgewertet (Dopplerverschiebung f d ) Heterodynes Verfahren erlaubt eine absolute und hoch präzise Windmessung 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 7

8 LiDAR Light Detection And Ranging Dauerstrichlaser (cw) versus gepulste Laserquelle Zwei verschiedene Doppler Wind LiDAR Varianten Dauerstrichlaser (Continuous Wave, CW) Gepulste Laserquelle Hauptunterschied Erlangen der Entfernungsinformationen Merke: LiDAR = Volumenmessung keine in situ Punktmessung homogenes Windfeld CW LiDAR / Pulsed LiDAR 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 8

9 LiDAR Light Detection And Ranging Entfernungsinformation stammt aus Fokussierung der Empfangsoptik (bewegliches Teil) Räumliche Auflösung: Abstand r Wellenlänge Detektorfläche A typisch : 0,1 m 70 m Entfernungen werden sequenziell gemessen Wolkenkorrektur notwendig CW LiDAR 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 9

10 LiDAR Light Detection And Ranging Entfernungsinformation (x) wird aus der Laufzeit (t) und Lichtgeschwindigkeit (c ~ kms -1 ) gewonnen x c *t / 2 Räumliche Auflösung ist abhängig von Pulsdauer ( ns) und Abtastrate -> m Messvolumen Messpunkte entlang LOS : Modellabhängig -> größer 300 möglich Konstantes Messvolumen -> Konstante Auflösung & Genauigkeit über den möglichen Messbereich (>12 km) Pulsed LiDAR 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 10

11 LiDAR Light Detection And Ranging Bestimmung der Entfernung Messvolumen / räumliche Auflösung Dauerstrich (CW) LiDAR Fokussierung Variabel über Messbereich Abhängig von Detektofläche, Wellenlänge und Abstand proportional R² Gepulstes System Laufzeit des Signal Konstant bis Ende Messbereich, jedoch abhängig von Pulslänge und Abtastrate (typisch 100 bis 800 ns bzw. 20 bis 150 m) Messvolumen / zeitliche Auflösung 50 Hz 0,1 bis 15 Hz Trennung zwischen den Messvolumen Sensitivität auf entfernte Ziele, wie z.b. Wolken Sehr gut -> Konstantes Messvolumen Messvolumen / Messung 1 > 250 Min Messbereich 10 m m Max Messbereich Zmax~200m für 75mm Empfangsoptik, limitierter Messbereich 200m 12km Abhängig vom Laser - Leistung/Energie 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 11

12 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 12

13 Anwendungsgebiete in der Windindustrie Offshore/Onshore Ressource und Site Assessment Windgutachten & Projektfinanzierung Auswahl der WEA s & Nachlaufuntersuchung Überwachung & Betrieb von WEA s Moderne Windparkplanung & Optimierung Repowering & Prototypenvermessung Turbulenz- & Lastmessungen Sicherheitsrelevante Überwachung während WEA Montagen 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 13

14 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 14

15 Gondelbasierte LiDAR Systeme Wind: - Speed - Direction - Turbulence - Shear - etc. Power 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 15

16 Gondelbasierte LiDAR Systeme Wind: - Speed - Direction - Turbulence - Shear - etc. WEA: - YAW - NTF - Anemometry - Wakes Power 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 16

17 Gondelbasierte LiDAR Systeme YAW Misalignment Fehlausrichtung (α) von WEA s führen zu erheblichen Leistungsverlusten (p.a.) Leistungsüberprüfung und Monitoring Überprüfung der i.d.r. unkalibrierten Gondelanemometrie (WS und WD) Repowering α 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 17

18 Gondelbasierte LiDAR Systeme NTF (Nacelle Transfer Function) Transferfunktion zwischen ungestörter Anströmung und Gondelanemometer Transferfunktion für verschiedene Terrainklassen Parkoptimierung Untersuchung der Vor- und Nachlaufströmung Lasten auf WEA s Sektor Management Leistungskennlinie Messung erfolgt in Nabenhöhe und in Anlehnung an die IEC Verifikation von nummerischen Modellen Aerodynamik & WEA Design 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 18

19 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 19

20 Bojenbasierte LiDAR Systeme OFFSHORE <> Besondere Herausforderung Windprofil horizontales Windprofil Windscherung Turbulenzmessungen Vorteil zu Windmessmasten einsetzbar an jedem Standort ohne zusätzliche Installationskosten weniger aufwändigen Genehmigungsverfahren Risikominimierung in der Planungs-, Konstruktions- und Betriebsphase für Offshore-Windparks 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 20

21 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 21

22 Bodengebundene LiDAR Systeme Gebräuchliche Modi zur Messung von Wind Profilen VAD Velocity Azimut Display / DBS Mode All SKY SCANNER RHI Range Height Indicator Konstanter AZIMUT, SCAN über ELEVATION PPI Plan Position Indicator Konstante ELEVATION, SCAN über AZIMUT Beliebige LOS s 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 22

23 Bodengebundene LiDAR Systeme Gebräuchliche Modi zur Messung von Wind Profilen VAD Velocity Azimut Display / DBS Mode All SKY SCANNER RHI Range Height Indicator Konstanter AZIMUT, SCAN über ELEVATION PPI Plan Position Indicator Konstante ELEVATION, SCAN über AZIMUT Beliebige LOS s 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 23

24 Bodengebundene LiDAR Systeme Standardmessmasten (~ m) sind aus wirtschaftlichen Gründen oft zu klein gewählt und erfordern Extrapolation der Daten große Unsicherheiten über die exakten Windverhältnisse in Nabenhöhen und darüber hinaus Wachsende Nabenhöhen (~130/160m) und Rotordurchmesser (>120m) erfordern verlässliche Informationen über das Windprofil für Höhen bis über 200m 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 24

25 Bodengebundene LiDAR Systeme Windprofil und Shear deren Kenntnis enorm wichtig ist für Planung und Optimierung von Windparks (Nabenhöhen, Scherung über die Rotorfläche.) Windprofile in komplexem und bewaldeten Gelände entsprechen oft nicht der Theorie LiDAR bietet die Möglichkeit das Windprofil auch oberhalb des Masts sowie zusätzliche Modifikationen des Profils in komplexem Terrain zu bestimmen 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 25

26 Bodengebundene LiDAR Systeme Offshore/Onshore Ressource und Site Assessment Reduzierung der Unsicherheiten Leistungskennlinienvermessung Messung von Windprofilen erfolgt in Nabenhöhe und in Anlehnung an die IEC Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 26

27 Bodengebundene LiDAR Systeme Offshore/Onshore Ressource und Site Assessment Reduzierung der Unsicherheiten Leistungskennlinienvermessung Messung von Windprofilen erfolgt in Nabenhöhe und in Anlehnung an die IEC Leistungskennlinienvermessung Real Power Curve Messung von Windprofilen erfolgt über die Rotorfläche (mind. 3 Punkte) Parkoptimierung Wind Sektor Management 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 27

28 Bodengebundene LiDAR Systeme Offshore/Onshore Ressource und Site Assessment Reduzierung der Unsicherheiten Leistungskennlinienvermessung Messung von Windprofilen erfolgt in Nabenhöhe und in Anlehnung an die IEC Leistungskennlinienvermessung Real Power Curve Messung von Windprofilen erfolgt über die Rotorfläche Parkoptimierung Wind Sektor Management Wind Monitoring während WEA Installationen 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 28

29 Gliederung LiDAR Messgerät zur atmosphärischen Fernerkundung Anwendungsgebiete in der Windindustrie Gondelbasierte LiDAR Systeme Bojengebundene Systeme Bodengebundene LiDAR Systeme Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 29

30 Operationeller Betrieb Beispiel: Wind Profil (DBS Mode) 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 30

31 Operationeller Betrieb Beispiel: VAD - Mode 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 31

32 Operationeller Einsatz 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 32

33 Operationeller Einsatz Stop and Stare Methode Einzelmastmessung 16 Messhöhen 1,5 km Messhöhe ~ eine Minute Messzeit pro Zyklus Unabhängigkeit von Orographie, Bebauung und Bestand Scanpattern optimiert nach Stawiarski et. al Quelle: Thomas Damian, DACH Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 33

34 Operationeller Betrieb Stop and Stare Methode 5 Messmasten 300 m bis 1500 m max. 4 Lidargeräten 3 D Windmessung Quelle: Thomas Damian, DACH Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 34

35 Operationeller Betrieb Source: METCRAX II campaign (2013) 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 35

36 Operationeller Betrieb Komplexes Windfeld Rekonstruktion des 2-d Windfeldes durch Kombination der Radialgeschwindigkeiten aus zwei Blickrichtungen 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 36

37 Operationeller Betrieb Wind Scanner Datenauswertung 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 37

38 Zusammenfassung Ziel von Doppler Wind LiDAR Messungen ist die Charakterisierung der räumlichen und zeitlichen Variabilität des Windfeldes Messung des Windvektors Punktmessung (LOS) Vertikales Profil (VAD/DBS) Ebene, Raum, Profil (SCAN) Ersatz bzw. Erweiterung zu in-situ Messung Vertikale, horizontale Scherung & Turbulenz Großes Entwicklungspotenzial (On- und Offshore) Anwendung in die Windenergie übertragbar -> TR6 / IEA32 Task 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 38

39 Danke für die Aufmerksamkeit! JEDE TECHNIK HAT IHRE ZEIT! Erkennen Sie rechtzeitig, wenn diese vorbei ist! LiDAR Allrounder in der Windprofilmessung! 25. Spreewindtage, Potsdam, >> WOL - World of LiDAR s << Seite 39 juwi Energieprojekte GmbH, Windpark Ellern, Hunsrück