Ein mobiles System zur vektoriellen Messung der Windgeschwindigkeit

Paul Wilhelm; Michael Eggert; Stefan Oertel; Julia Hornig

doi:10.1515/teme-2023-0055

Article

Ein mobiles System zur vektoriellen Messung der Windgeschwindigkeit

Paul Wilhelm

Paul Wilhelm absolvierte 2018 das Masterstudium der Informations-Systemtechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Seit 2011 ist er in der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“ an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt tätig, seit 2018 als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Seit 2022 promoviert er über die Rekonstruktion der Kinematik von Aerosolen in Verbindung mit dem in der Arbeitsgruppe entwickelten bistatischen Wind-Lidar.
, Michael Eggert

Michael Eggert studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig und erhielt 2002 sein Diplom. Seitdem ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, zunächst in der Arbeitsgruppe “Längeneinheit” und seit 2003 in der Arbeitsgruppe “Strömungsmesstechnik”. Gleichzeitig promovierte er 2010 an der Technischen Universität Dresden zum Thema “Reduzierung der systematischen Messunsicherheit in der Doppler-Global-Velocimetry durch den Einsatz von Laserfrequenzumtastverfahren”. Aktuell beschäftigt er sich mit Laser-Doppler-Anemometrie und der Entwicklung des Wind-Lidar-Systems.
, Stefan Oertel

Stefan Oertel erhielt 2006 das Diplom in Physik an der Technischen Universität Dortmund. Von 2006 bis 2012 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Leibniz Universität Hannover am Institut für Festkörperphysik und promovierte zum Thema „Spindynamik in GaAs und (110)-GaAs-Heterostrukturen“. Seit Juli 2014 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“.
and Julia Hornig

Julia Hornig leitet seit Anfang 2023 den Fachbereich „Gase“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), wo sie bereits Ende 2019 die Leitung der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“ übernommen hat. Zugleich ist sie seit 2016 Geschäftsführerin des PTB-Kompetenzzentrums für Windenergie (CCW). Sie wurde 2012 an der Universität Magdeburg auf dem Gebiet der Konstruktionstechnik promoviert. In Ihrer Doktorarbeit, die im Bereich des Explosionsschutzes der PTB entstand, entwickelte die Wirtschaftsingenieurin ein neuartiges, mittlerweile weltweit patentiertes Schutzkonzept.

Published/Copyright: June 5, 2023

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From the journal tm - Technisches Messen Volume 90 Issue 9

Zusammenfassung

Das an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelte Wind-Lidar misst Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Messhöhe mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung sowie geringer Messunsicherheit. Das mobile PTB-Wind-Lidar ermöglicht hochgenaue und auf die SI-Einheiten rückführbare optische Windfernmessungen in Höhen zwischen 5 m und 250 m, wie sie in der Windindustrie und Meteorologie benötigt werden. Da das System keine geländeabhängigen Korrekturfaktoren benötigt, ermöglicht es präzise und hochaufgelöste Messungen auch vor und im Nachlauf von Windenergieanlagen. In diesem Artikel werden der Aufbau und die Funktionsweise des Messsystems beschrieben, einschließlich der bistatischen Geometrie, des faseroptischen Aufbaus, der Signalverarbeitung und der Messvolumengeometrie. Die hohe Auflösung des Messsystems wird anhand von ausgewählten Datensätzen erstmals in Form von Spektrogrammen verdeutlicht. Eine Zusammenstellung zuvor publizierter Vergleichsmessungen zeigt die Leistungsfähigkeit des PTB-Wind-Lidars auf. Die Vergleichsinstrumente umfassen ein Ultraschallanemometer, ein Laser-Doppler-Anemometer sowie ein Schalensternanemometer.

Abstract

The wind lidar developed at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) measures wind speed, wind direction and measurement height with high temporal and spatial resolution as well as low measurement uncertainty. The mobile PTB wind lidar enables highly accurate optical remote wind measurements traceable to SI units at heights between 5 m and 250 m, as required in the wind industry and meteorology. Since the system does not require terrain-dependent correction factors, it allows precise and high-resolution measurements even upstream and downstream of wind turbines. This article describes the design and operation of the measurement system, including the bistatic geometry, the fiber-optic setup, the signal processing and the measurement volume geometry. The high resolution of the measurement system is illustrated for the first time in the form of spectrograms using selected data sets. A compilation of comparative measurements previously published demonstrates the performance of the PTB wind lidar, with comparison instruments including an ultrasound anemometer, a laser Doppler anemometer, and a cup anemometer.

Schlagwörter: Wind-Lidar; Doppler lidar; Windenergie; Meteorologie; Metrologie

Keywords: Doppler lidar; meteorology; metrology; wind energy; wind lidar

Korrespondenzautor: Paul Wilhelm, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany, E-mail: paul.wilhelm@ptb.de

Funding source: Bundesministerium fÃ¼r Wirtschaft und Energie

Award Identifier / Grant number: 0325416B

Award Identifier / Grant number: 0325945

Award Identifier / Grant number: 03EE3044

Über die Autoren

Paul Wilhelm

Paul Wilhelm absolvierte 2018 das Masterstudium der Informations-Systemtechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Seit 2011 ist er in der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“ an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt tätig, seit 2018 als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Seit 2022 promoviert er über die Rekonstruktion der Kinematik von Aerosolen in Verbindung mit dem in der Arbeitsgruppe entwickelten bistatischen Wind-Lidar.

Michael Eggert

Michael Eggert studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig und erhielt 2002 sein Diplom. Seitdem ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, zunächst in der Arbeitsgruppe “Längeneinheit” und seit 2003 in der Arbeitsgruppe “Strömungsmesstechnik”. Gleichzeitig promovierte er 2010 an der Technischen Universität Dresden zum Thema “Reduzierung der systematischen Messunsicherheit in der Doppler-Global-Velocimetry durch den Einsatz von Laserfrequenzumtastverfahren”. Aktuell beschäftigt er sich mit Laser-Doppler-Anemometrie und der Entwicklung des Wind-Lidar-Systems.

Stefan Oertel

Stefan Oertel erhielt 2006 das Diplom in Physik an der Technischen Universität Dortmund. Von 2006 bis 2012 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Leibniz Universität Hannover am Institut für Festkörperphysik und promovierte zum Thema „Spindynamik in GaAs und (110)-GaAs-Heterostrukturen“. Seit Juli 2014 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“.

Julia Hornig

Julia Hornig leitet seit Anfang 2023 den Fachbereich „Gase“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), wo sie bereits Ende 2019 die Leitung der Arbeitsgruppe „Strömungsmesstechnik“ übernommen hat. Zugleich ist sie seit 2016 Geschäftsführerin des PTB-Kompetenzzentrums für Windenergie (CCW). Sie wurde 2012 an der Universität Magdeburg auf dem Gebiet der Konstruktionstechnik promoviert. In Ihrer Doktorarbeit, die im Bereich des Explosionsschutzes der PTB entstand, entwickelte die Wirtschaftsingenieurin ein neuartiges, mittlerweile weltweit patentiertes Schutzkonzept.

Acknowledgment

Wir danken dem Karlsruher Institut für Technologie (Garmisch-Partenkirchen, Deutschland), der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (Oldenburg, Deutschland) und dem Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (Kassel, Deutschland) für die Ermöglichung der gemeinsamen Messkampagnen.

Author contributions: All the authors have accepted responsibility for the entire content of this submitted manuscript and approved submission.
Research funding: Diese Forschung wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter den Förderkennzeichen 03EE3044 (WindLidar-PerformOpt), 0325416B (WindLidarDSP) und 0325945 (PTB Wind) gefördert.
Conflict of interest statement: The authors declare no conflicts of interest regarding this article.

References

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Erhalten: 2023-03-27

Angenommen: 2023-05-03

Online erschienen: 2023-06-05

Erschienen im Druck: 2023-09-28

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Doppler lidar; meteorology; metrology; wind energy; wind lidar