Windmeting met laser: nieuwe testmethode maakt kalibratie van windsensoren veel sneller

Voordat een nieuwe windturbine wordt gebouwd, moet eerst duidelijk zijn hoe hard en hoe vaak de wind op die plek waait. Daarvoor gebruiken windenergiebedrijven tegenwoordig vaak een laserapparaat, een zogeheten Doppler-lidar, in plaats van een ouderwetse windmolen op een meetmast. Maar voordat zo'n lidar betrouwbare metingen mag afleveren, moet hij eerst grondig getest en geijkt worden. En dat kost nu nog veel tijd. Een onderzoeksteam heeft een nieuwe testmethode ontwikkeld die dat proces flink kan versnellen.

Een Doppler-lidar meet windsnelheid door een laserstraal de lucht in te sturen. Het apparaat vangt het licht op dat terugkaatst van stofjes en druppeltjes in de lucht, en berekent aan de hand van de verschuiving in de lichtgolf hoe hard de wind waait. Handig, want je hoeft dan geen hoge mast met mechanische windmeters (anemometers) meer neer te zetten.

Het probleem: om te controleren of een lidar goed meet, wordt hij nu meestal buiten getest en vergeleken met een echte windmeter op een mast. Maar de wind buiten is nooit helemaal stabiel, en ook de mast en het landschap zelf zorgen voor kleine afwijkingen. Daardoor duurt zo'n test lang, en lijkt de meetonzekerheid van de lidar groter dan hij in werkelijkheid is.

Een windtunnel van glasvezel

De onderzoekers bouwden daarom een alternatief: een soort nepwindtunnel die geen wind gebruikt, maar glasvezelkabels en licht. Dit systeem heet SAFO-MV. Een apparaat genaamd een acousto-optic modulator verschuift het laserlicht van de lidar net zoals wind dat zou doen, en een spoel glasvezelkabel kaatst het licht terug. Zo wordt in het laboratorium precies nagebootst wat een lidar in een rustige, gelijkmatige wind zou meten.

Omdat dit hele proces in een gecontroleerde binnenruimte gebeurt en herleidbaar is tot internationale meetstandaarden, kunnen de onderzoekers heel precies bepalen hoe nauwkeurig de lidar zijn eigen laserlijn meet. Met een rekenmethode genaamd Monte Carlo-simulatie, waarbij een computer duizenden mogelijke uitkomsten doorrekent om de kans op afwijkingen in te schatten, vertalen ze die metingen vervolgens naar de nauwkeurigheid van de gemeten windsnelheid in een gesimuleerd, realistisch windveld.

Om te checken of hun methode klopt, vergeleken de onderzoekers de gevoeligheid van hun virtuele lidar met de resultaten van bestaande, officiële testcampagnes volgens de internationale norm IEC 61400-50-2. Die kwamen overeen. Volgens het onderzoeksteam levert de nieuwe methode een meetonzekerheid op die vergelijkbaar is met de huidige, tijdrovende buitentests, maar dan veel sneller.

Als deze aanpak breed wordt overgenomen, kan het testen van lidars veel sneller gebeuren dan nu. Dat scheelt tijd en kosten bij het plannen van windparken, en kan de inschatting van hoeveel wind (en dus energie) een locatie oplevert nauwkeuriger maken.

Bron: Anemometer-free indoor calibration of Doppler lidar using fiber optics and Monte Carlo simulation