Et meget vigtigt område inden for fysik er måleteknik. Inden for vindenergi anvendes en lang række måleteknikker til ressourcebestemmelse, miljøvurdering og direkte regulering af møllerne.
For at kunne måle noget korrekt er det meget vigtigt at man vælger et passende instrument, og at man er opmærksom på instrumentets begrænsninger.
I denne artikel begrænses teknikkerne til de mest anvendte måleteknikker for bestemmelse af vindressourcer.
Måling af vind
Når et område er udvalgt, skal der foretages målinger som skal danne grundlag for beregning af den forventede årlige produktion. For at kunne foretage sådanne målinger er et grundlæggende kendskab til vind og måleinstrumenter nødvendigt.
Det er almindeligt kendt at vindhastigheden varierer meget. Inden for et par sekunder kan vinden afvige meget fra middelvindhastigheden, og det skal der tages hensyn til for at opnå nogle tilfredsstillende resultater. Vind måles med et anemometer, og alt efter type og kvalitet registreres variationerne forskelligt. Udgangssignalet kan være analogt eller digitalt, men proportionelt med vindhastigheden.
Figur 1.3.1 Frkvensspektra af vinddata fra Lammefjorden med to forskallige filtreringer. Et frekvensspektra viser hvor ofte en frekvens optræder i et signal. For at komme fra en tidsskala til en frekvensskala anvendes Fourier Transformationen.
Måleteknisk opdeles vinden i middelvind og turbulens. Undersøges et frekvensspektrum af en tilfældig måleserie Figur 1.3.1, findes to overordnede variationer; en som dækker over daglige, årlige og andre lavfrekvente variationer, og så de hurtige variationer fra et minut og nedefter. For at få nogle resultater som påvirkes mindst muligt af disse variationer, anvendes den målefrekvens i området med lavest energi. Meteorologer anvender normalt en time som måleperiode, men til bestemmelse af vindressourcer anvendes en periode på 10 minutter. Ud over middelvindhastigheden beregnes standardvariationen også for hver måleperiode. Standardvariationen anvendes som beskrevet i artikel 1.1 til beregning af turbulensintensiteten.
Turbulensintensiteten er en vigtig parameter til bestemmelse af belastninger og levetid for møllerne.
Figur1.3.2 Figuren viser et kopanamometer til venstre, et ultrasonisk anamometer øverst til højre og en Lidar radar nede til højre
Det mest anvendte anemometer er kopanemometeret. Det blev udviklet af astronomen T. R. Robinson i 1846, og det grundlæggende design har ikke ændret sig væsentligt de sidste 150 år.
Læs: Kræfter og simpel kraftoverførsel fra strømninger
Kopanemometer
Et kopanemometer består af et hus (1) og 3-4 kopper (2). Rotoren med kopperne er monteret på en vertikal aksel (3) som støttes af to letløbende kuglelejer (5). Det øverste leje er beskyttet af en lamelpakning (4). I den nederste ende er akslen forbundet til en impulsgenerator (6). Impulsen modtages af føleren (7) og sendes til et databehandlingssystem igennem stikket (8).
Kopperne roterer fordi luftmodstanden mod den konkave side af koppen, som vender imod vinden, er større end den konvekse side.
En simpel matematisk model for modstanden på den konkave side af koppen kan beskrives ved modstandskoefficienten Cd+, som er uafhængig af vindhastigheden U og luftens densitet ρ.
Kraften som koppen påvirkes af, kan beskrives ved
Ligning 15
hvor s er vinkelhastigheden, r er afstanden fra omdrejningsaksen til centrum af koppen, og A er arealet af koppen. Ligeledes kan et udtryk opstilles for konvekse side:
Ligning 16
Hvis vi antager at friktionen i anemometeret er så lille at det kan negligeres, skal de to kræfter være i ligevægt ved konstant vindhastighed. Dette fører til forholdet:
Ligning 17
Det betyder at der er et lineært forhold imellem rotationshastigheden s og vindhastigheden u da r er konstant. Test i vindtunnel har vist at negligeringen af friktionen kun medfører en fejl på 0,10 m/s ved en vindhastighed på 2 m/s, hvilket er acceptabelt til estimering af vindressourcer.
Anemometerer kalibreres i en vindtunnel, og på grund af den lineære relation kan der anvendes et 1. ordens kalibreringsudtryk:
Ligning 18
hvor N er antallet af pulser pr. omdrejning, og ω er rotationshastigheden i rad/s.
Ultrasonisk anemometer
I modsætning til kopanemometeret kan det soniske anemometer måle alle tre komponenter (retninger) af den turbulente vindhastighed. I princippet består anemometeret af tre par akustiske transducere der er i stand til både at sende og modtage lydimpulser. Transducerne er placeret med en fast afstand l med den ene transducer længere nede end den anden i forhold til strømningsretningen. Tiden det tager for en lydimpuls at komme fra den forreste transducer til den bagerste, er:
Ligning 19
hvor c er lydens hastighed i atmosfærisk luft ≈ 340 m/s. Tiden det tager et impuls at komme fra den bagerste til den forreste, er:
Ligning 20
og løses disse to ligninger i forhold til u, fås:
Ligning 21
Det kan relativ let bevises at det akustiske signal ikke påvirkes af strømninger vinkelret på signalretningen. Det kan fx gøres ved at måle de to tider parallelt og vinkelret på strømningsretningen. Ved at kombinere de tre transducerpar sådan at det akustiske mønster dækker alle tre dimensioner, kan hastighedsvektoren beregnes ved simpel transformation imellem transducernes koordinatsystemer.
Hot-wire anemometer
Hot-wire er det mest anvendte termiske anemometer og består af en tynd platin- eller tungstenstråd/rør (4-10 μm). Anemometeret kan anvendes efter to principper: konstant temperatur eller konstant strøm. Den mest anvendte metode er konstant temperatur (CTA). Til målingerne anvendes en standard Wheatstone-bro, hvor tråden indgår som den ene af modstandene i Figur 1.2.3. Hvis medietemperaturen er konstant varierer varmeafgivelsen til omgivelserne kun med strømningshastigheden i forhold til tråden. Modstanden i en tråd afhænger kun af temperaturen og er derfor også konstant. Spændingen der tilføres målebroen, opvarmer tråden, hvilket medfører en varmestrøm fra tråden til mediet. Varmestrømmen afhænger af mediets strømningshastighed.
Figur 1.3.3 Principskitse for hot-wire anamometer og den tilhørende Wheatstones målebro, hvor anemometeret indgår som modstanden Rx.
Hvis forholdet imellem de to modstande i det kendte ben (RC/RB) er den samme som forholdet (RA/RX) i det ukendte ben, er broen i balance, og spændingen over broen (VOutput) er nul. Hvis vi antager at broen er i balance, og modstanden i tråden falder på grund af øget varmeoverførsel, vil det medføre ubalance i broen. Denne ændring vil betyde en positiv afvigelse i inputspændingen Vin ved strømforsyningen. Efter en vis stigning i spændingen vil strømmen igennem broen og dermed også tråden stige så tråden opvarmes, og broen igen er i balance. På den måde holdes trådens temperatur konstant, og effekten af termisk inerti minimeres.
Da strømforsyningen kan levere en stor strøm, og tråden er meget lille, er anemometeret i stand til at reagere meget hurtigt på hastighedsvariationer. I praksis kan et hot-wire anemometer følge fluktuationer op til flere hundrede kHz, og særlige instrumenter er i stand til at måle fluktuationer op til 1 MHz. Hot-wire-metoden er på grund af den høje følsomhed og den simple opbygning meget anvendt i laboratorier, hvor der udføres forsøg under kontrollerede forhold. Metoden er ikke så udbredt ved udendørsmålinger da den er meget følsom over for fysiske påvirkninger.
Lidar og Sodar
Lidar og Sodar hører til i gruppen kaldet "remote sensing". Sensorer i denne gruppe kan - som navnet antyder - måle på afstand. Dette er blevet meget aktuelt efter at møllerne er blevet større. Vi har tidligere set på hvordan vinden varierer med højden, men for at få et godt estimat kræves som minimum målinger i navhøjde. For moderne møller svarer det til 80-120 m, hvilket betyder store udgifter til master hvis der skal måles på traditionel vis. Derfor er der stor interesse for remote sensing.
Sodar (SOund Detection And Ranging) anvender lydbølger til at måle vindprofiler (variationer som funktion af højden) og vertikal turbulens. Den fungerer som en radar (RAdio Detection And Ranging) hvor der anvendes en sender og en modtager. Der findes forskellige typer, men grundlæggende er princippet det samme. Et lignede system kendes fra skibe hvor sonar (SOund NAvigation Ranging) anvendes til at finde ubåde. Der anvendes de samme teknikker, men mediet er blot luft i stedet for vand.
De fleste systemer fungerer ved at senderen udsender en akustisk impuls med en kendt frekvens og intensitet. Bølgen udbreder sig så i mediet og reflekteres af partiklerne i luften og sendes ned til modtageren. Det modtagne signals intensitet og frekvens analyseres, og ud fra afvigelserne i forhold til det udsendte signal kan vindhastigheden, vindretningen og turbulensintensiteten beregnes. Lydbølgernes udbredelseshastighed i luft (≈ 340 m/s) giver nogle begrænsninger i målefrekvens og målehøjde for denne metode. I praksis har det vist sig at denne avancerede målemetode kan give problemer med at få et ensartet og pålideligt resultat da det kan være svært at filtrere de ønskede resultater ud af signalet.
Lidar (LIght Detection And Ranging) er en radar som anvender lys. Normalt anvendes lys i det infrarøde områder, men der kan også anvendes lys i det synlige område. Den findes i to versioner; en der anvender konstant lys, og en der anvender pulserende. Denne type målerinstrumenter kendes fra politiets hastighedsmålere og fra militærets/jægernes afstandsmålere.
Når lyset bevæger sig igennem et medie, vil hastigheden være mindre end i vakuum, hvilket svarer til at bølgelængden reduceres. Som konsekvens heraf vil lyset brydes og ændre retning. Denne brydning er forskellig fra medie til medie og angives som mediets brydningsindeks. Brydningsindekset refererer til brydningen i forhold til vakuum. Udbredelseshastigheden i vakuum er 299.792.458 m/s, og brydningsindekset er defineret til 1. For luft ved 20 ºCer brydningsindekset 1,0002926, hvilket betyder at lys udbredes med:
Ligning 22
Den store hastighed giver mulighed for en meget høj målefrekvens, hvilket kan udnyttes til at udvide det fysiske måleområde. Ud over at filtrere det reflekterede signal efter returneringstidspunktet så måleafstanden kan reguleres, kan strålen også bevæges.
Figur 1.3.4 Opbygningen af typisk Lidar, til vindmålinger, med lyskilde, fast og roterende optik samt sensor
Det giver den fordel at der kan måles i flere højder uden at målefrekvensen bliver for lav. Der arbejdes også på at indbygge Lidar-enheder i møllerne til at måle vinden inden den rammer møllen, for derved at kunne regulere på de fremtidige belastninger og ikke som i dag hvor der reguleres efter de aktuelle belastninger på møllen.
Begge radar-typer anvender dopplereffekt til at måle vindens hastighed, læs evt. yderligere herom.
|