title: Einsatz der Lidar-Technik zur Realisierung eines virtuellen Messmastes
Creators: name: Khadiri Yazami, Zouhair
Publisher: name: kassel university press
Year: 2021
Subjects: subject: Lidar
subject: Fernmesstechnik
subject: Windmessung
subject: Windenergie
subject: Standortbewertung
classificationCode: 600
subject: 600
classificationCode: 620
subject: 620
classificationCode: 624
subject: 624
classificationCode: Windenergie
subject: Windenergie
classificationCode: Telemetrie
subject: Telemetrie
classificationCode: Lidar
subject: Lidar
classificationCode: Validierung
subject: Validierung

description: Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2021
description: <p>Die Windenergie ist eine der wichtigsten Stützen der Energiewende. Für die effiziente Planung eines Windparks ist eine genaue Windmessung zur Bewertung des Windpotenziales eines Standortes im Vorfeld wichtig. Mit dem neuen Erneuerbare-Energien-Gesetz (Abk. EEG) 2021 und der aktuellen Einschränkung der Standorte in Deutschland ist eine genaue Standortbewertung vor allem in komplexen Standorten wichtiger denn je. Die bodenbasierte Wind-Lidar-Technik1 wird in den letzten Jahren für die Windmessungen vermehrt eingesetzt. Allerdings entstehen bei den gängigen Lidar-Profilern in komplexen Standorten Messfehler, die Unsicherheiten bei der Planung von Windparks erhöhen. Multilidar-Systeme haben das Potenzial, genaue und flexible Messungen in komplexen Standorten zu realisieren. Allerdings ist diese Technologie relativ neu und wird wegen Herausforderungen, wie Kosten, Aufwand und fehlender Standards noch nicht eingesetzt.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Erarbeitung eines für das komplexe Gelände ausgerichteten Multilidar-Systems im „short range“-Bereich (Abk. MerLiS). Für ein optimales MerLiS werden zuerst anwendungs- als auch technisch orientierte Anforderungen unter Berücksichtigung relevanter Normen, Anwenderbefragungen und
atmosphärischer Bedingungen erarbeitet.
Zwei Realisierungskonzepte werden darauf aufbauend vorgestellt und auf deren Realisierungsmöglichkeiten untersucht. Beim ersten Konzept handelt es sich um eine innovative Idee, in der Systemkosten durch eine gemeinsame Nutzung von Komponenten stark reduziert werden können. Dieses Konzept eignet sich für eine
Festinstallation bei langen oder dauerhaften Messkampagnen. Das zweite Konzept mit verteilten Komponenten stellt ein Kompromiss zwischen Systemkosten und Flexibilität dar und erlaubt es, auch kurze und flexible Messkampagnen durchzuführen.
Eine neu erarbeitete Scanstrategie (X-Form) trägt für eine optimale Realisierung eines virtuellen Messmastes zu einer signifikanten Erhöhung der Verfügbarkeit der Messungen bei. Im Detail wird die Messdauer pro Messpunkt erhöht sowie die Scanbewegung auf ein Minimum reduziert. Allerdings muss bei der Nutzung dieser Strategie auf einen geeigneten Systemaufbau geachtet werden. Sowohl die Scanstrategien als auch die MerLiS-Messungen werden im Rahmen einer Messkampagne und einer Windfeldsimulation validiert.
Darüber hinaus zeigt eine „Machine Learning“ (Abk. ML) basierte Methode, dass eine Verbesserung der Lidar-Profiler-Turbulenzmessung (Abk. TI) in drei untersuchten Standorten erreicht werden kann. Bei der richtigen Auswahl der Trainingsdaten können sowohl eine Standort- als auch eine Höhenübertragbarkeit gezeigt werden. Dieses MLVerfahren kann zukünftig auch für das Multilidar-System MerLiS bei der Nutzung der XForm-Scanstrategie eingesetzt werden, um noch bessere Ergebnisse bei der Turbulenzbestimmung zu erreichen.
Zum Schluss lässt sich festhalten, dass die vorgestellten Konzepte einen Beitrag zur Optimierung der Kosten und des Einsatzes eines Multilidar-Systems leisten können. Der Aufwand bei der Messung mit einem Multilidar-System bleibt im Vergleich zu den gängigen Lidar-Profilern trotzdem hoch. Die ML-basierte Methode kann generell für
eine bessere Bestimmung der Lidar-Turbulenz von Nutzen sein. Untersuchungen in weiteren Standorten mit unterschiedlicher Standortkomplexität müssen noch durchgeführt werden.</p>
description: <p>Wind energy is one of the most important pillars of the German energy transition. For the efficient planning of a wind farm, accurate wind measurement is important to evaluate the wind potential of a planned location. With the new German Renewable Energies Act (abbr. EEG) 2021 and the current restrictions on locations in Germany, an
accurate site assessment is now more important than ever, especially in complex terrains.
The ground based wind Lidar2 technology offers an appealing alternative to traditional wind measurements using anemometers mounted on masts. However, the common Lidar-Profilers have a measurement error in complex terrain, which can increase the uncertainties in wind farm planning. Multi-Lidar systems, where at least two laser beams are focused at one point, have the potential to carry out precise and flexible measurements in complex locations. However, this nascent technology has not commercially exploited yet and has to deal with several challenges such as costs, operating expenses and lack of standards.
The immediate objective of this dissertation is the development of concepts for an optimal short range Multi-Lidar system (abbr. MerLiS) and its evaluation in complex terrain. First, the system requirements from different aspects will be collected. They are divided into application-based requirements and constraints derived from atmospheric
conditions.
Next, two concepts of realization considering the current state of the art and costs reduction will be discussed. The first concept represents an innovative idea that reduces the system costs significantly. This concept is suitable for a permanent installation for long measurement campaigns. The second concept represents a compromise between system costs and flexibility and allows short and flexible measurement campaigns.
Furthermore, a newly developed scan strategy (X-Form) for optimal measurements of virtual masts will be introduced. This scan strategy contributes to a significant increase in the measurement duration per measured point and to a reduction in the scanning movement. However, the use of this strategy requires a suitable system setup. The developed scan strategies and designed MerLiS measurements will be validated as a part of a measurement campaign in complex terrain. Moreover, a wind field simulation will be carried out to verify the accuracy of X-Form scan strategy.
In addition, a machine learning (abbr. ML) based approach shows that an improvement in the Lidar-Profiler turbulence measurement (abbr. TI) can be achieved. With suitable selection of training data, both location and altitude transferability could be shown. In the future, this ML-based approach can also be applied for X-Form scan strategy using MerLiS.
Finally, the concepts presented can contribute to an optimization of the use of shortrange Multi-Lidar systems for site assessment. However, the effort involved in measuring with Multi-Lidar systems remains high compared to the common Lidar-profilers. The MLbased method can generally be useful for a better determination of the Lidar turbulence. Investigations in other locations with different location complexity should be carried out in the future.</p>