Aus Bewegung wird Information: Turbulenzmessung mit der N-Beam-Methode

Die Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Bojen, sogenannte Floating Lidar Systems (FLS), sammeln Messdaten an Standorten von zukünftigen Windparks auf See. Sie bieten eine kostengünstige Alternative zu Offshore-Messmasten, deren Installation und Betrieb mit hohen Kosten verbunden sind. Ihre an Bord befindlichen Sensoren messen Windverhältnisse sowie weitere meteorologische und ozeanografische Parameter. Eine zentrale Rolle spielt das Wind-Lidar: Es sendet Laserstrahlen in die Atmosphäre und bestimmt über den Dopplereffekt die Windgeschwindigkeit entlang des jeweiligen Strahls, die sogenannte Line-of-Sight (LOS)-Geschwindigkeit.  Als gepulstes System misst es die Windverhältnisse in unterschiedlichen Höhen und liefert damit wichtige Informationen für die Bewertung von Offshore-Windenergiestandorten.

Windgeschwindigkeit und -richtung lassen sich mit solchen Systemen bereits sehr zuverlässig bestimmen. Die Turbulenzintensität (TI) beschreibt vereinfacht, wie stark die Windgeschwindigkeit um ihren Mittelwert schwankt. Verlässliche TI-Daten sind für die Planung von Windparks und die Auswahl von Windkraftanlagen von entscheidender Bedeutung. Sie fließen unter anderem in die Berechnung mechanischer Lasten, die Modellierung von Nachlaufeffekten sowie die Auslegung und Zertifizierung von Windenergieanlagen ein. Dies gilt insbesondere für Projekte mit großen Rotoren, hohen Nabenhöhen und schwimmenden Offshore-Windenergieanlagen. Genaue TI-Messungen helfen Projektentwicklern daher, technische Risiken einzuschätzen und fundierte Entscheidungen hinsichtlich der Anlagenkonfiguration und der Auslegung des Windparks zu treffen.

Die Bestimmung der TI mithilfe eines Lidar-Systems ist jedoch anspruchsvoller, da jeder einzelne Laserstrahl nur die Komponente der Windgeschwindigkeit in seiner eigenen Richtung erfasst. Zudem misst das Lidar in einem räumlich ausgedehnten Messvolumen und erfasst die verschiedenen Strahlrichtungen nacheinander, aber nicht gleichzeitig. Bei einem FLS stellt die Bewegung der Plattform eine zusätzliche Herausforderung dar: Sie beeinflusst die Windmessungen und verändert kontinuierlich die Ausrichtung der Laserstrahlen.

Mit der N-Beam-Methode die Bewegung nutzen

Am Fraunhofer IWES beschäftigen wir uns deshalb seit mehreren Jahren damit, den Einfluss dieser Bewegung möglichst genau aus den Windmessungen herauszurechnen. Eine dafür entwickelte deterministische Bewegungskorrektur bildet nun die Grundlage für einen weiteren Ansatz: die N-Beam-Methode. Das Besondere daran ist, dass wir den Einfluss der Plattformbewegung auf die gemessene Geschwindigkeit korrigieren und gleichzeitig die dadurch entstehenden unterschiedlichen Strahlrichtungen als zusätzliche Messinformation nutzen. Dabei ist das Prinzip nicht grundsätzlich auf eine Wind-Lidar-Boje beschränkt. Entscheidend ist, dass sich die Orientierung des Lidars während der Messung verändert, diese Bewegung ausreichend genau bekannt ist und damit die tatsächliche Ausrichtung der einzelnen Laserstrahlen rekonstruiert werden kann.

Die Grundlage: deterministische Bewegungskorrektur

Für eine genaue Turbulenzmessung müssen wir zunächst wissen, wie sich das Lidar bei jeder einzelnen Messung bewegt hat. Genau dafür verwenden wir die am Fraunhofer IWES entwickelte deterministische Bewegungskorrektur. Wie diese Bewegungskorrektur mit der N-Beam-Methode kombiniert werden kann, wurde in einer aktuellen Studie untersucht [1]. Dafür wurden die Messungen eines gepulsten Fünfstrahl-Lidars mit Bewegungsdaten einer inertialen Messeinheit (Inertial Measurement Unit, IMU) zusammengeführt. Die Bewegungskorrektur findet dabei bereits auf Ebene der einzelnen LOS statt. Für jede Messzeitpunkt wird zunächst rekonstruiert, in welche Richtung der Laserstrahl tatsächlich gezeigt hat. Die nominelle Strahlrichtung im lokalen Koordinatensystem des Lidars wird dafür anhand der gemessenen Plattformorientierung in ein festes globales Koordinatensystem transformiert. Gleichzeitig wird bestimmt, welcher Anteil der gemessenen Radialgeschwindigkeit durch die Bewegung des Lidars selbst entstanden ist. Dieser Bewegungseinfluss wird aus der LOS-Geschwindigkeit herausgerechnet [2].

Nach der deterministischen Bewegungskorrektur besitzen wir damit für jede einzelne Messung zwei entscheidende Informationen: die bewegungskorrigierte Radialgeschwindigkeit und den tatsächlichen Strahlvektor im globalen Koordinatensystem.

Die Korrektur berücksichtigt dabei die Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden und auch Änderungen der effektiven Messhöhe, die beispielsweise durch Neigung oder Hebebewegung der Plattform entstehen können. Diese Informationen sind die Voraussetzung für die N-Beam-Methode.

Wie werden aus fünf Strahlen N Strahlen?

Ein klassisches gepulstes Wind-Lidar besitzt relativ zum Gerät fünf definierte Strahlrichtungen: vier geneigte und eine vertikale. Steht das Lidar fest und verändert seine Orientierung nicht, wiederholen sich diese Richtungen bei jedem Scan. Auf einer bewegten Plattform wie der Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Boje sieht das anders aus. Jede Änderung der Orientierung verändert auch den Strahlenvektor aus Sicht eines festen globalen Koordinatensystems. Ein nominell identischer Strahl besitzt dadurch bei aufeinanderfolgenden Messungen jeweils eine etwas andere räumliche Ausrichtung. Genau diese Information kennen wir nach der deterministischen Bewegungskorrektur. Betrachten wir nun nicht nur einen einzelnen Scan, sondern ein längeres Zeitintervall, entsteht eine große Anzahl unterschiedlicher Strahlorientierungen. Wie viele es sind, hängt unter anderem von der Scangeschwindigkeit, der Länge des betrachteten Intervalls und der Bewegung beziehungsweise Rotation des Systems ab. Aus den ursprünglich fünf nominellen Strahlrichtungen werden damit N effektive Strahlrichtungen.

Mehr unter: https://websites.fraunhofer.de/iwes-blog/aus-bewegung-wird-information-turbulenzmessung-mit-der-n-beam-methode/warren-watson