Tuulen nopeuden etämittaus LIDAR-teknologian avulla
Järvinen, Samu (2011)
2011
Teknis-luonnontieteellinen koulutusohjelma
Luonnontieteiden ja ympäristötekniikan tiedekunta - Faculty of Science and Environmental Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2011-08-17
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011111514878
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011111514878
Tiivistelmä
Tuulienergiateollisuudessa tehtävällä tuulen kaukokartoituksella voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä ja vähentää ympäristöhaittoja. Mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa tuuliturbiinien ennakoiva ohjaus ja uusien asennussijaintien tuuliolosuhteiden määritys. Turbiinien mukautuminen saapuviin tuulikenttiin takaa tasaisen sähköntuoton ja vähentää voimalan mekaanista rasitusta, jolloin niiden elinaikaa voidaan pidentää.
Tuuli-LIDAR on kaukokartoituslaite, joka lähettää laserpulsseja taivaalle ja mittaa tuulen nopeuden etäisessä mittaustilavuudessa pulssista takaisin laitteistolle sironneesta valosta. Lasersäteen siroaminen johtuu vuorovaikutuksesta valon ja ilmakehän aerosolien ja molekyylien kanssa. Ilmakerroksen kolmiulotteisen tuulivektorin laskemiseksi mittaus toistetaan kolmeen eri suuntaan. Mittausetäisyys valitaan laserpulssin lähdön ja sirontasignaalin saapumisen välisen viiveen avulla.
Kaupallisten LIDAR-laitteistojen hinta estää niiden asennuksen jokaiseen tuulivoimalaan. Toisaalta tuulivoimaan tarkoitetun LIDAR-laitteen alhaisemmat suorituskykyvaatimukset voidaan saavuttaa taloudellisemmalla laserteknologialla ja yksinkertaisemmalla laitearkkitehtuurilla. Tässä diplomityössä kehitettiin täten kustannustehokas kuitukytketty tuuli-LIDAR alle 300 m mittausetäisyyksiin.
Diplomityössä rakennetussa laitteistossa Doppler-siirtymä havaitaan heterodyyni-menetelmällä, jossa ilman aerosoleista takaisinsironnut säde sekoitetaan paikallisoskillaattorisäteen kanssa. Aiheutuu summakentän intensiteetin erotustaajuinen huojunta, joka on mahdollista havainnoida puolijohdedetektoreilla. Laitteisto toimii 1,5 μm yleisellä tietoliikennetekniikan aallonpituusalueella, mikä mahdollistaa taloudellisten kom-ponenttien saatavuuden. Laitteistoon suunniteltiin ja koottiin mittatilaustyönä LIDAR-tekniikan vaatimukset täyttävä kuituvahvistin. Sen kaksi vahvistinastetta vahvistavat laserpulssin tehoa yli 30 dB säilyttäen signaalin kapean viivanleveyden. Diplomityön mittaukset toteutettiin 30 m pitkässä tuulitunnelissa, joka rakennettiin LIDARin suorituskyvyn määritystä varten. Tunnelissa kulkevaa ilmavirtaa voidaan säätää portaattomasti ja vertailumittaus suoritetaan tunnelin keskiakselilta kuumalanka-anemometrillä.
Tämä diplomityö on osa CLEEN Oy:n MMEA-tutkimusohjelmaa. Rakennetun tuuli-LIDAR –laitteiston kehitystyö jatkuu diplomityön jälkeen Tampereen teknillisen yliopiston, Vaisala Oyj:n, Modulight Oy:n, Ilmatieteen laitoksen ja Mittatekniikan keskuksen yhteistyönä. /Kir11
Tuuli-LIDAR on kaukokartoituslaite, joka lähettää laserpulsseja taivaalle ja mittaa tuulen nopeuden etäisessä mittaustilavuudessa pulssista takaisin laitteistolle sironneesta valosta. Lasersäteen siroaminen johtuu vuorovaikutuksesta valon ja ilmakehän aerosolien ja molekyylien kanssa. Ilmakerroksen kolmiulotteisen tuulivektorin laskemiseksi mittaus toistetaan kolmeen eri suuntaan. Mittausetäisyys valitaan laserpulssin lähdön ja sirontasignaalin saapumisen välisen viiveen avulla.
Kaupallisten LIDAR-laitteistojen hinta estää niiden asennuksen jokaiseen tuulivoimalaan. Toisaalta tuulivoimaan tarkoitetun LIDAR-laitteen alhaisemmat suorituskykyvaatimukset voidaan saavuttaa taloudellisemmalla laserteknologialla ja yksinkertaisemmalla laitearkkitehtuurilla. Tässä diplomityössä kehitettiin täten kustannustehokas kuitukytketty tuuli-LIDAR alle 300 m mittausetäisyyksiin.
Diplomityössä rakennetussa laitteistossa Doppler-siirtymä havaitaan heterodyyni-menetelmällä, jossa ilman aerosoleista takaisinsironnut säde sekoitetaan paikallisoskillaattorisäteen kanssa. Aiheutuu summakentän intensiteetin erotustaajuinen huojunta, joka on mahdollista havainnoida puolijohdedetektoreilla. Laitteisto toimii 1,5 μm yleisellä tietoliikennetekniikan aallonpituusalueella, mikä mahdollistaa taloudellisten kom-ponenttien saatavuuden. Laitteistoon suunniteltiin ja koottiin mittatilaustyönä LIDAR-tekniikan vaatimukset täyttävä kuituvahvistin. Sen kaksi vahvistinastetta vahvistavat laserpulssin tehoa yli 30 dB säilyttäen signaalin kapean viivanleveyden. Diplomityön mittaukset toteutettiin 30 m pitkässä tuulitunnelissa, joka rakennettiin LIDARin suorituskyvyn määritystä varten. Tunnelissa kulkevaa ilmavirtaa voidaan säätää portaattomasti ja vertailumittaus suoritetaan tunnelin keskiakselilta kuumalanka-anemometrillä.
Tämä diplomityö on osa CLEEN Oy:n MMEA-tutkimusohjelmaa. Rakennetun tuuli-LIDAR –laitteiston kehitystyö jatkuu diplomityön jälkeen Tampereen teknillisen yliopiston, Vaisala Oyj:n, Modulight Oy:n, Ilmatieteen laitoksen ja Mittatekniikan keskuksen yhteistyönä. /Kir11