Dansk teknologi revolutionerer vindmåling

Hvis man skal blive bedre til at kontrollere og styre vindmøller og i sidste ende få dem til at holde længere og yde mere, må man først og fremmest vide, hvad der helt konkret sker, når vinden bremses og afbøjes af vingerne. Derfor hænger vindmåling og vindenergi uløseligt sammen.

Vindens styrke måles traditionelt med et såkaldt kopanemometer, enten anbragt bag vingerne på møllens nacelle (møllehat) eller foran møllen i en målemast af samme højde. En mere avanceret vindmåleteknik er baseret på fjernmåling med en laserstråle; men både kopanemometret og laserstrålen kan kun måle i ét punkt ad gangen, og så er det vanskeligt at danne sig det fulde billede af vind og turbulens omkring vindmøllen.

Det problem satte forskere på DTU Vindenergi sig for at løse tilbage i 2007, og arbejdet resulterede i en 3D-vindskanner med tre laserstråler og et styrbart system af prismer, som tilsammen registrerer et tredimensionelt billede af vindfeltet. Systemet blev patenteret og registreret som varemærket WindScanner. I 2009 blev det også etableret som en national infrastruktur, og året efter kom det på det såkaldte ESFRI Roadmap, som anerkender det som en væsentlig europæisk infrastruktur, der kan forbedre udnyttelsen af vindenergien.

Et princip – flere måleinstrumenter

Vindskannerne bygger på fjernmåleteknologien kaldet lidar (light detection and ranging), hvor en intens laserstråle fokuseres på støvpartikler, der svæver rundt med vinden. Som små spejle reflekterer partiklerne laserlyset, men med forskellige farver, alt efter med hvilken hastighed og i hvilken retning de bevæger sig. Og ved at analysere farven (frekvensen) af det tilbagespredte lys kan vindskannerne derfor bestemme vindens hastighed i målepunktet.

Ét målepunkt er imidlertid ikke nok til at give et billede af hele vindfeltet, så professor Torben Mikkelsen og hans kolleger arbejdede på at udvikle en metode til at skanne vinden i tre dimensioner med tre samtidigt styrbare lasere. Arbejdet resulterede i en original idé til, hvordan man ved hjælp af to prismer anbragt på drejelige akser kunne afbøje de fokuserede laserstråler. Det er den ide, der blev patenteret og som nu er realiseret i flere forskellige typer af vindskannere.

DTU’s WindScanner aflæser vindhastighed og -retning ved hjælp af laserstråler.

Short-range-vindskannerne, der i dag har en rækkevidde på op til 300 meter, placeres på jorden og skanner rundt omkring vindmøllen. Skanningen giver detaljeret viden om, hvad der sker, når vinden vekselvirker med møllerotoren, og med denne viden kan man så evaluere og forbedre de computermodeller, man bruger til at simulere belastninger og kontrol, og i det hele taget optimere møllerne.

I nogle situationer, f.eks. i forbindelse med havmøller, er 300 meter dog ikke nok. Så DTU-forskerne har også udviklet en såkaldt long-range-vindskanner med en rækkevidde på 5 til 10 km. I modsætning til short-rangeskannerne bliver den ikke fremstillet på DTU. Selve det styrbare skannerhoved er udviklet på universitetet, men vindlidaren produceres og markedsføres af det franske firma Leosphere.

Og endelig har WindScannerteknologien fundet anvendelse i en såkaldt SpinnerLidar, der installeres enten foran vingerne i rotoren eller bag vingerne på nacellen. Måler man således slipstrømmen bag ved møllen, kan man få viden om, hvor meget rotoren har blokeret vindfeltet, og hvor meget turbulens der dannes i møllens kølvand. Og det er nyttigt, når man skal planlægge, hvordan møllerne i en vindmøllepark skal placeres og styres i forhold til hinanden for at få mindst mulig belastning og dermed længst mulig levetid.

Byg selv, eller rekvirér den mobile vindskanner

3D-måleteknikken er nu en efterspurgt vare langt ud over Danmarks grænser, bl.a. takket være placeringen på det europæiske roadmap. Flere europæiske lande er blevet WindScanner-partnere og arbejder nu på at opbygge deres nationale udgaver af vindskannerne efter DTU’s oprindelige design med tilhørende software og dataplatform samt træning og undervisning af brugerne.

Det gælder f.eks. universitetet i Porto, der søger national støtte til to long-range-skannere. De skal indgå i et stort fælleseuropæisk projekt, Perdigão-eksperimentet, som har til formål at kortlægge vindforholdene i bjergrigt terræn. Eksperimentet skal bl.a. verificere de beregningsmodeller, som danner grundlag for et mere detaljeret europæisk vindatlas. Vindatlasset er et værktøj, der også er udviklet på DTU. Det kan bruges til at udpege de lokaliteter, der vindklimamæssigt egner sig bedst til opstilling af vindmøller.

Samtidig er det planen, at vindskannerteknologien skal blive standardudstyr på det portugisiske meteorologiske instituts havforskningsskib.

DTU’s vindskannere kan som forskningsinfrastruktur også reserveres til at gennemføre specifikke måleopgaver. DTU Vindenergis mobile vindskannerteam rykker ud med tre synkroniserede vindlidars, en målebus og teknisk-videnskabeligt personale og har bl.a. været i Frankrig for at måle slipstrømmen fra en ny prototypevindmølle, der opererer i den hårde mistralvind.

DTU’s tre long-range-vindskannere deltager for tiden med EU-samarbejdspartnerne i en stor målekampagne i bakkerne ved Kassel i Tyskland. Og de har for nylig også kortlagt vindforholdene omkring prøvestationen for store vindmøller ved Østerild i Thy.

Det norske justitsministeriums redningstjeneste i Stavanger havde i 2013 bud efter de mobile vindskannere, da der skulle vælges mellem forskellige typer redningshelikoptere. Man ønskede at få undersøgt, hvor meget vind og turbulens der blev dannet under helikopterne, når de var involveret i en redningsaktion på vandet.

Og i forbindelse med byggeriet af en ny motorvej mellem Stavanger og Kristiansand har DTU målt på vindforholdene i en af de fjorde, hvor der skal bygges nye broer.

Fremtiden er brugervenlig

Vindskanneren er under konstant udvikling – højere møller kræver f.eks. længere rækkevidde. Og samtidig arbejdes der på at gøre infrastrukturen mere brugervenlig, så de komplicerede udregninger, der følger efter målingerne, automatiseres og præsenteres mere intuitivt.

Torben Mikkelsen og hans kolleger i DTU Vindenergi ønsker desuden at etablere en decideret vindskannercentral hos DTU Vindenergi, hvorfra vindskannerne kan koordineres som en fælleseuropæisk infrastruktur, og resultaterne kan distribueres. Og der er flere projekter i støbeskeen i samarbejde med danske partnere og dansk industri, heriblandt DMI, Vestas og universiteterne i Aalborg og Aarhus, hvor vindskanningsteknologien nu ønskes brugt i forbindelse med spredning af luftforurening i gaderum i byer og beskrivelse af vindfelter omkring broer og bygninger.

”Selvom vi allerede har udviklet en fremtidig businessplan for WindScanner med henblik på en dag at blive en delvist brugerbetalt forskningsinfrastruktur, så er det stadig nødvendigt, at vi bevarer den tætte tilknytning til forskningsmiljøerne på universiteterne. WindScanner er indtil videre opbygget som en multidisciplinær aktivitet med bidrag fra dansk industri, IPU samt DTU Mekanik og DTU Fotonik. Vi har også en lind strøm af speciale- og ph.d.-studerende, der udfører forskellige projekter her, som er med til at sikre den fortsatte udvikling af teknologien,” siger Torben Mikkelsen.