Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Малошумящий узкополосный лазер для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью в системе Лидар

Малошумящий узкополосный лазер для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью в системе Лидар

27.06.2019
1215
Поделитеcь новостью:

Малошумящий узкополосный лазер для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью в системе Лидар

М.О. Жукова1, Н.В. Буров, В.Б. Ромашова2, Д.С. Шаймадиева3

АО «ЛЛС»

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения 

Санкт-Петербургский Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Лазерная доплеровская велосиметрия представляет собой быстрый и высокопродуктивный метод измерения направления и скорости движения различных объектов, частиц и газов. Высокая чувствительность достигается за счет использования стабилизированных узкополосных лазеров с малым уровнем шума. В статье описаны возможности использования такого метода измерения в системах Лидар для точного определения скорости и направления ветра, а также предложены конкретные решения по источникам излучениям. Важно отметить, что такие «ветровые» Лидары нашли применение  для высокоточного прогнозирования энергозатрат в современных ветряных электростанциях.

Ключевые слова: ветровой Лидар, ветряные турбины, ZephIR, малошумящий узкополосный лазер

Keywords: wind Lidar, wind turbines, ZephIR, low noise narrow band laser


Интеграция системы Лидар в ротор ветряной турбины

Торбен Миккельсен и его коллеги из Датского Технического Университета представили последние результаты экспериментальной разработки, в которой ветровой Лидар ZephIR был установлен во вращающуюся часть ветряной турбины, расположенной в западной части Дании.

Рисунок 1 – Концепция измерения направления и скорости ветра системой Лидар, встроенной в переднюю часть ротора турбины.


На сегодняшний день это первый в мире случай, когда удалось успешно установить систему в ротор ветряной турбины. Данная концепция является абсолютно новой и позволяет беспрепятственно оценивать приближающееся поле ветра.


Рисунок 2 – Лидар, установленный на оси турбины в роторе NM80. Система измеряет параметры приближающегося ветра путем конического сканирования с помощью лазерного излучения через окно.


Лазерная анемометрия (Лидар) способна производить детальные измерения поля ветра, приближающегося к лопастям действующих ветряных турбин. Включение данных параметров ветра в систему управления турбиной позволяет улучшить выход энергии и уменьшить нагрузку [1].

Впервые эксперимент провели в 2003 году, в котором прототип лидара ZephIR  был помещен в гондолу ветровой турбины N90 [2]. В конечном счете установили, что такой способ позволяет измерять скорость ветра на дальностях до 200 метров с высокой точностью. С тех пор появилось множество волоконных лидарных устройств, используемых в ветроэнергетике, первоначально разработанных для телекоммуникационных систем. Такой подход радикально улучшил характеристики лидаров, и теперь эта технология дает большие перспективы для совершенствования ветряных турбин [3].



Рисунок 3 – Схема геометрии измерений, θi - угол наклона оси вращения турбины.

Лидар был установлен в ротор и совмещен с осью вала турбины (см. Рис. 1 и 2). Беспроводная связь позволила осуществлять сбор данных в режиме реального времени ( белая антенна на рис. 2). Размещение лидара в центре турбины оказалось затруднительным из-за изменения направления гравитации и центробежной силы, создаваемой вращением турбины. Другая проблема, которую успешно решили во время проведения эксперимента, связана с электрическими помехами от генератора. Детектор лидара чрезвычайно чувствителен и легко расстраивается паразитными токами. Поэтому детектор и чувствительная электроника были обернуты защитным материалом, который создавал заземление.

Во время работы турбины, встроенный клин лидара сканировал входящее поле ветра в круговой развертке в плоскости ротора на расстояниях 46 метров и 100 метров, что соответствует диаметрам ротора 0,58 и 1,24 вдоль оси вала турбины.

Экспериментальная установка была спроектирована с конусом сканирования 15° и 30° для фокусировки лидара при максимально доступном радиусе, соответствующем расстоянию от лазерного луча до точки фокусировки – 53 метра с углом сканирования 30°, и расстоянию 103 метра с углом сканирования 15° (рис. 3).

Передача и обработка данных

Азимутальный угол сканирования относительно фиксированной системы координат рассчитывается по записанной информации из вращающегося клиновидного сканера лидара и по измерениям положения ротора ветровой турбины. С помощью вращающегося клина и ротора было выполнено полное сканирование на 360° в течение примерно 0,8 с, а доплеровские спектры скорости ветра передавались со скоростью 50 Гц на ПК, подключенный к лидару [4].



Рисунок 4 – Пример измеренной скорости ветра в круговой развертке. На каждом из двух участков имеется десять последовательных сканирований скорости ветра на 360°, измеренных дистанционно на 100 метров перед рабочей турбиной. Угол нулевого сканирования определяется как находящийся в самой верхней точке рисунка конического сканирования.

Данные на рисунке 4 показывают радиальные скорости ветра, измеренные лидаром, которые обладают высокой степенью изменчивости. Это новые «первые в мире» данные, иллюстрирующие, что приближающееся поле ветра содержит турбулентные когерентные структуры, многие из которых имеют размеры, сравнимые с плоскостью ротора. Опираясь на стандартную гипотезу турбулентности Тейлора, установлено, что когерентные структуры в турбулентности будут сталкиваться с вращающимися лопастями турбины через несколько секунд после их обнаружения.

Конструктивные особенности узкополосного малошумящего лазера, используемого в системах Лидар

Использование лазерной анемометрии обеспечит полное управление ветровыми ресурсами, включая горизонтальную и вертикальную скорость ветра, направление и турбулентность. Одной из самых больших проблем при создании такой системы является подбор лазерного источника, который бы обладал низким уровнем шума, что позволит обнаружить даже самый слабый сигнал. Более того, лазер должен быть устойчивым, а оптические характеристики такого источника должны быть нечувствительными к структурным и акустическим колебаниям для обеспечения точного измерения ветра.

Волоконный лазер серии Koheras предоставляет функции, которые удовлетворяют указанным требованиям.


Рисунок 5 – Волоконный лазер серии Koheras BoostiK компании NKT Photonics, обладающий высокой мощностью и низким уровнем шума.

Ведущий производитель волоконных лазеров высокой производительности – датская компания NKT Photonics.

Серия Koheras BOOSTIK ОЕМ – промышленный вариант одночастотных волоконных лазерных модулей с распределением обратной связи, оснащенных активным контролем длин волн и широким диапазоном тепловой перестройки длины волны. Благодаря своей уникальной изоляции от акустического шума и вибрации, он идеально подходит для  измерения параметров ветра с помощью системы Лидар.

Источник излучения обладает следующими ключевыми особенностями:

  • Свобода выбора длины волны: стандартные системы доступны на 1550,12 нм, специализированные системы – от 1535 до 1585 нм.
  • Высокая выходная мощность: до 1 Вт;
  • Сверхузкая ширина линии в герцовом диапазоне;
  • Уникальная технология снижения относительной интенсивности шума позволяет достигать RIN ниже -155 дБн/Гц;


Уровень фазового шума ниже на 20 дБ относительно стандартных моделей лазеров.

Компания АО «ЛЛС» представляет весь спектр продукции NKT Photonics на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов. Получить дополнительную информацию вы можете на сайте производителя NKT Photonics  или обратившись в компанию ЛЛС. 


Заключение

На сегодняшний день использование ветровых лидаров является перспективным направлением и позволяет получать данные параметров ветра, таких как скорость и направление, в режиме реального времени.

Благодаря своим особенностям, малошумящий узкополосный лазер от компании NKT Photonics обеспечивает точное измерение приближающегося ветрового поля.

Список литературы

1. Harris M., Hand M. and Wright A., “A Lidar for turbine control”, Tech. Rep. NREL/TP-500-39154 National Renewable Energy, National Renewable Laboratory, NREL, Golden, Colorado, US, 2006.

2. Harris M., Bryce D. J., Coffey A. S., Smith D. A, Brikemeyer J. & Knopf U., “Advance measurement of gusts by laser anemometry”, J Wing Eng. 95, 1637 – 1674, 2007.

3. Karlsson K., Olsson F., Letalick D. & Harris M., “All-fiber multifunction CW 1.55 micron coherent laser radar for range, speed, vibration and wind measurements”, Applied Optics, 39, 3716-3726, 2000.

4. Smith, D. A., Harris M., Coffey A. S., T. Mikkelsen, Jorgensen H. E., Mann J. and  Danielian R., “Wind Lidar Evaluation at the Danish Wind Test Site in Hovsore”, Wind Energy, 9, 87-93, 2006.

5. Sjöholm, M., Mikkelsen T., Mann J., Enevoldsen K., Courtney M., “Spatial averaging- effects on turbulence measured by a continuous-wave coherent lidar”, Meteorologische Zeitschrift 18, 281-287, 2009.

6. Mikkelsen, T. “On mean wind and turbulence profile measurements from ground-based wind lidar’s: limitations in time and space resolution with continuous wave and pulsed lidar systems”, EWEC, Wind Profiles at Great Heights, p. 10, 2009.

7. Mikkelsen, T., Michael C., Antoniou I., Mann J., “WindScanner: A full-scale laser facility for wind and turbulence measurements around large wind turbines”. EWEC, p. 10, 2009.

8. Применение волоконных лазеров в системах Лидар, URL: http://optics.org/article/38059 (дата обращения: 13.11.2018).

9. Волоконный лазер Koheras Boostik для ветровых лидаров URL: https://www.nktphotonics.com/lasers-fibers/application/wind-lidar  (дата обращения: 16.11.2018).

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!