The high-resolution bistatic lidar developed at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) aims to overcome the limitations of conventional monostatic lidar technology, which is widely used for wind velocity measurements in wind energy and meteorology applications. Due to the large measurement volume of a combined optical transmitter and receiver tilting in multiple directions, monostatic lidar generally has poor spatial and temporal resolution. It also exhibits large measurement uncertainty when operated in inhomogeneous flow; for instance, over complex terrain. In contrast, PTB’s bistatic lidar uses three dedicated receivers arranged around a central transmitter, resulting in an exceptionally small measurement volume. The coherent detection and modulation schemes used allow the detection of backscattered, Doppler shifted light down to the scale of single aerosols, realising the simultaneous measurement of all three wind velocity components. This paper outlines the design details and theory of operation of PTB’s bistatic lidar and provides an overview of selected comparative measurements. The results of these measurements show that the measurement uncertainty of PTB’s bistatic lidar is well within the measurement uncertainty of traditional cup anemometers while being fully independent of its site and traceable to the SI units. This allows its use as a transfer standard for the calibration of other remote sensing devices. Overall, PTB’s bistatic lidar shows great potential to improve the capability and accuracy of wind velocity measurements, such as for the investigation of highly dynamic flow processes upstream and in the wake of wind turbines.
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.
Zusammenfassung Mit dem Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) eine Infrastruktur zur hochgenauen Messung großer dreidimensionaler Bauteile mit Abmaßen bis 5 m × 4 m × 2 m sowie großer Drehmomente bis 5 MN⋅m geschaffen. Die Drehmomenten-Normalmesseinrichtung ist bereits für die Erzeugung und Messung von Drehmomenten bis 20 MN⋅m ausgelegt. Zusätzlich verfügt das CCW über eine Einrichtung, mit der sich Wind-LIDAR-Systeme quantitativ erfassen lassen. Diese Messeinrichtungen mit ihren zugehörigen Messverfahren sind in ihrer Messgenauigkeit weltweit bisher unerreicht. Wie sich heute zeigt, zahlt es sich aus, dass die PTB bereits vor der Energiewende mit diesen Entwicklungen begonnen hat, um auf die bestehenden messtechnischen Herausforderungen Antworten auf die wirtschaftlichen, politischen und gesellschaftlichen Fragen zu geben. Alle drei Messverfahren werden in diesem Beitrag zusammenfassend angesprochen. Ausführliche Erläuterungen finden sich in weiteren Beiträgen dieser Ausgabe.
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