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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Höchstauflösender Doppler-Lidar zur Windgeschwindigkeitsmessung

3. Juni 2016, 15:50 Uhr | Hagen Lang

Die Grafik zeigt das monostatische (links) Lidar-System im Vergleich zum bistatischen Lidar-System.

Die PTB entwickelte ein mobiles Messsystem, das Windgeschwindigkeit und -richtung vom Boden aus mit höchster Genauigkeit und Ortsauflösung misst. Es kann künftig bei Windparksertragsprognosen aufwändig zu installierende, auf Messmasten positionierte kalibrierte Anemometer ersetzen.

Erste Tests verliefen mit Abweichungen von 0,5 Prozent zwischen dem PTB-System und den Ergebnissen von kalibrierten Windmessern (Anemometern) auf Messmasten erfolgreich. Die bisher für die Windpotenzialanalyse eingesetzte mastbasierte Technik wird mit zunehmenden Nabenhöhen der Windräder immer teurer. Deshalb kommen bei zunehmender Anlagenhöhe ergänzend bodengestützte Lidar-Systeme zum Einsatz. Konventionelle monostatische Lidar-Systeme bedürfen für genaue Messungen jedoch räumlich und zeitlich gleiche Windverhältnisse, die je nach Geländestruktur nicht immer gegeben sind.

Das PTB hat ein sogenanntes bistatisches Doppler-Lidar-System entwickelt, das mithilfe eines Lasers (bzw. Senders) und dreier Empfänger vom Boden aus die Windgeschwindigkeit sowie die Windrichtung in einer Höhe von bis zu 300 Meter bestimmen kann. Dabei wichen Versuchsmessungen Mitte 2015 und Anfang 2016 um weniger als 0,5 Prozent von den Ergebnissen eines kalibrierten Messmastes ab.

Das System nutzt den Doppler-Effekt, der beschreibt, wie sich die Wellenlänge einer Welle verändert, wenn sich der Emitter und/ oder der Empfänger relativ zueinander bewegen. Bei vorüberfahrenden Feuerwehrautos macht sich der Effekt in Form der Tonveränderung der Sirene bemerkbar: fährt das Feuerwehrauto auf einen Beobachter zu, steigen für diesen Ton-Frequenz und Lautstärke an – denn die Schallwellen werden in Fahrtrichtung zusammengeschoben. Entfernt sich die Feuerwehr, sinken Tonfrequenz und Lautstärke – die Schallwellen werden auseinandergezogen. Mithilfe mehrerer Empfänger lässt sich Anhand der Frequenzveränderung der Geschwindigkeitsvektor (Geschwindigkeit und Richtung) bestimmen. In der Astronomie wird der optische Doppler-Effekt bei Lichtwellen genutzt, um die Geschwindigkeitsvektoren von Galaxien zu berechnen

Der PTB-Lidar nutzt den Doppler-Effekt, nur, dass an Stelle des Feuerwehrautos oder der Galaxie ein Partikel in der Luft (Aerosol) tritt. Auf dieses wird ein Laserstrahl gerichtet, der vom Partikel in alle Richtungen gestreut und danach teilweise von drei am Boden befindlichen Lasern erfasst wird. Sendestrahl des Lasers und Empfangsstrahl des Senders sind auf einen gemeinsamen Punkt gerichtet, genauer, ein Areal von wenigen Millimetern Durchmesser und einer Länge von einigen Dezimetern, in dem die Geschwindigkeit und Flugrichtung jedes Teilchens gemessen werden kann.

Bisherige Lidar-Systeme ließen die Bestimmung von Windvektoren nur in homogenen Strömungsfeldern zu, weil bei dieser Technik der sich mit dem Empfangsstrahl überlagernde Sender-Laserstrahl in einem Messvolumen von ca. 20 m³ geschwenkt wurde und an unterschiedlichen Orten maß. Das bistatische PTB-System lässt sich zudem durch seinen Aufbau auf SI-Einheiten zurückführen, die gemessene Geschwindigkeit auf Laserwellenlänge und Empfängergeometrie (Länge und die Zeitbasis zur Frequenz- und Laufzeitbestimmung). »So haben wir künftig ein Bezugsnormal, das nicht kalibriert werden muss«, sagt Michael Eggert von der Arbeitsgruppe Strömungsmesstechnik in der PTB.