מודדים רוח באמצעות תמונה
לידרים למדידת רוח נחשבים כטכנולוגיה מבטיחה המסוגלת לספק מדידות רוח איכותיות הנדרשות לאפליקציות שונות כגון, מדידות רוח בגובה הרוטור להערכת משאב הרוח או מדידת עקומת ההספק של הטורבינה. בחברת פנטאלום פיתחו טכנולוגיית לידר בגילוי ישיר עם תג מחיר סביר
הגנה לישראל
| 19/05/2011
השימוש בלידרים אלסטיים למדידת מהירות הרוח בשכבת הגבול הפלנטרית ידוע מזה שנים רבות. באופן כללי, ניתן לסווג את השיטות למדידת רוח בלידר לשני סוגים - גילוי קוהרנטי וגילוי ישיר. גילוי קוהרנטי עומד בבסיס הלידרים מבוססי הדופלר. לידרים אלו מודדים את הסחת הדופלר הנוצרת בגלי האור אשר מוחזרים מאירוסולים הנעים עם הרוח. הסחת הדופלר נמדדת בדרך כלל באמצעות מערכת גילוי אופטית קוהרנטית אשר הפאזה של המקור שלה מבוקרת באופן מדויק מאד, באמצעות ביצוע התאבכות של גל האור החוזר עם אוסצילטור מקומי. היות והסחת הדופלר היא מתכונתית לרכיב הרדיאלי של מהירות הרוח, יש צורך לבצע מדידת דופלר כזו בכמה כיוונים במרחב על מנת לקבל את מלוא וקטור מהירות הרוח הממוצע.
שיטת הגילוי הישיר מבוססת על דגימת האטמוספירה באמצעות פולסי לייזר, אשר רק העוצמה (לא הפאזה ולא אורך הגל) שלהם נמדדת ונדגמת בזמן. העוצמה של כל ההחזרים כפונקציה של הזמן מייצגת למעשה את מפת צפיפות האירוסולים לאורך קו הראיה של הפולס. וכך, באמצעות יצירת צבר של מפות אירוסולים חד מימדיות כמתואר לעיל, בכיוונים שונים ובזמנים שונים ניתן לחשב את שדה מהירות הרוח.
בהמשך נציג את תיאור השיטה של הקרוס-קורלציה למדידת וחישוב מהירות רוח. למען פשטות ההסבר, נניח רוח במרחב דו ממדי אשר נדגמת באמצעות שני צמדים של משדר-מקלט אופטיים. (ראה איור 1). כאשר הפולס המשודר נע בכיוון מעלה דרך האטמוספירה הוא עובר אינטראקציה עם האירוסולים הנמצאים באוויר ובאופן רציף עובר פיזור לכל הכיוונים. חלק (קטן) מהאור המתפזר נקלט על ידי המקלט. כל סיגנל נקלט הוא מתכונתי לצפיפות האירוסולים בקו הראיה של הפולס כפונקציה של הטווח. כך, באמצעות צבירה של הסיגנלים הנקלטים והטלתם על גרף דו מימדי כפונקציה של הטווח והזמן, מתקבלת בעצם מפה דו ממדית של צפיפות האירוסולים שחלפה דרך הקרן. (ראה איור 2).
[איור1]
[איור 2]
חישוב מהירות הרוח באמצעות עיבוד תמונה
נניח כי הרוח נושבת משמאל לימין ובנוסף נניח כי המבנים של צפיפות האירוסולים אינם משתנים באופן משמעותי במעבר שלהם מקרן אחת לשניה, אזי מפות צפיפות האירוסולים שתתקבלנה משני צמדי המשדר/מקלט תראינה דומות בהבדל הזמן שבו לוקח לרוח להגיע מקרן אחת לשניה. (ראה איור 3 שבו מוצגת מפת אירוסולים אופיינית המתקבלת משני צמדי משדר/מקלט).
עתה, היות והמרחק בין שני צמדי המשדר/מקלט ידוע, מספיק לדעת כמה זמן לקח למבנים האירוסוליים לעבור מקרן אחת לשניה על מנת לחשב את מהירות הרוח. את הזמן הזה ניתן למדוד בשיטת הקרוס-קורלציה, אשר בהמשך נציג כמה שיטות בהן ניתן ליישמה.
בעקבות עבודתו של באטלר (2001) ניתן להגדיר תת-מפה של המפה השמאלית בתור "גרעין" (Kernel). הרעיון העיקרי הוא למצוא במפה הימנית את התאום של המבנה הנראה בגרעין. תהליך זה מבוצע על ידי החלקה של הגרעין לאורך ולרוחב המפה הימנית תוך כדי חיפוש המקום שבו תתקבל הקורלציה המקסימלית. הנקודה שבה התקבלה הקורלציה המקסימלית נחשבת כתאום של הגרעין במפה הימנית ולכן הפרש הזמן בין הגרעין לבין תאומו במפה הימנית נחשב כהפרש הזמן שלקח לרוח לעבור מקרן אחת לשניה. (התהליך המתואר למעלה, נתון באיור 3).
[איור 3]
התהליך המתואר לעיל, מדגים באופן פשטני את שיטת הקרוס-קורלציה התלת מימדית המלאה המשמשת למדידת רוח באמצעות לידר אלסטי. כמובן שקיימות מספר שיטות מתמטיות ליישם את העקרונות המתוארים לעיל, חלקן מתוארות בספרות הרלבנטית, אולם העקרונות המתוארים לעיל משותפים לכולן.
מהתיאור למעלה ברור למדי שהדיוק של מדידת מהירות הרוח באמצעות שיטת הקרוס-קורלציה תלוי בהנחה שהמבנים האירוסוליים אינם משתנים באופן משמעותי בזמן שלוקח להם לחלוף מקרן אחת לשניה. הנחה זו נמצאת נכונה ותקפה ברוב המצבים האטמוספריים באמצעות היפותזת "הטורבולנציה הקפואה" הידועה של טיילור הגורסת שאם הטורבולנציה אינה גבוהה יותר מדי, ניתן להתייחס אליה כ "קפואה" בסקלת הזמן האופיינית לזרימת הרוח הממוצעת.
גילוי ישיר מול גילוי קוהרנטי
ה- SpiDAR (ראה איור 4) הינה מערכת לידר אלסטי פולסית למדידת מהירות רוח לשימוש בתעשיית אנרגיית הרוח. מערכות SpiDAR כבר מותקנות אצל מספר רב של מפתחי ומפעילי חוות רוח בעולם ובארץ וזו מערכת הלידר המסחרית הראשונה המבוססת על גילוי ישיר. גרסה נוספת של המערכת מיועדת להתקנה על גבי טורבינת הרוח על מנת לייעל את ה"ניהוג" של הטורבינה כלפי הרוח וכן להוריד משמעותית עומסים. מערכת ה-SpiDAR מבצעת סריקה אופטית של האטמוספירה באמצעות שמונה קרניים בסריקה קונית בעלת מפתח של 10 מעלות. חישוב ומדידת הרוח בכל גובה רצוי עד 200 מטר מבוצע כהכללה של שיטת הקרוס-קורלציה המתוארת לעיל.
[איור 4]
באיורים 5 ו- 6 ניתן לראות סיכום של שני ניסויי שטח להוכחת ביצועי ה SpiDAR בתנאי שטח שטוחים והרריים. ניסויי השטח בוצעו בחוות רוח מבצעיות בארה"ב ובאירופה. איור 5 מציג השוואה בין מדידות מהירות וכיוון הרוח שבוצעו על ידי ה-SpiDAR בהשוואה למדידות של שבשבת סטנדרטית. (אזור שטוח). איור 6 מציג השוואה לאורך ציר הזמן בין מדידות ה SpiDAR לבין ציוד מדידה סטנדרטי בשטח הררי.
[איור 5]
[איור 6]
היתרון העיקרי של גילוי ישיר הינו שהוא מבוסס אך ורק על עוצמת האור המוחזר מהאטמוספירה ואינו תלוי בפאזה או באורך הגל המדוייק. עקב תכונה זו ניתן לעשות שימוש בתכן פשוט ורובוסטי של מערכות שידור וקליטה אופטית, תוך שימוש ברכיבי מדף כגון, מקור הלייזר, גלאים, אופטיקה וכו' ובכך להוזיל משמעותית את מחיר המערכת. בניגוד לכך, גילוי קוהרנטי כשמו כן הוא, דורש בניית מערכת שידור-קליטה קוהרנטית תוך שליטה גבוהה באורך הגל ובפאזה של המקורת מודולטורים אקוסטו-אופטיים וגלאים יחודיים. עקב כך, מערכות גילוי קוהרנטיות הינן יקרות באופן משמעותי, רגישות יותר לתנאי שטח וצורכות הספק גבוה יותר.
יתרון מהותי נוסף של מערכות גילוי ישיר קשור לאפליקציה הקרקעית של מדידת הרוח. מערכות מבוססות דופלר חייבות לסרוק את האטמוספירה בזוית קונוס גבוהה יחסית (כ-60 מעלות) על מנת לאפשר רכיב רדיאלי בר מדידה ברוח אופקית. זווית פתיחה גדולה זו גורמת לכך שהמדידה המתקבלת במכשירי דופלר היא בעצם ממוצע מרחבי על פני מרחק של מאות מטרים. זו הסיבה שהדיוק של מכשירי דופלר מוגבל בשטח הררי מכיוון שהרוח אינה קבועה בסקלות של מאות מטרים. דבר זה מתבטא בתת הערכה של מהירות הרוח בעד 10 אחוזים, מגבלה שאינה קיימת במערכות גילוי ישיר.
הכותב הוא מייסד-שותף, סגן נשיא למחקר ופיתוח בחברת פנטאלום טכנולוגיות.
השימוש בלידרים אלסטיים למדידת מהירות הרוח בשכבת הגבול הפלנטרית ידוע מזה שנים רבות. באופן כללי, ניתן לסווג את השיטות למדידת רוח בלידר לשני סוגים - גילוי קוהרנטי וגילוי ישיר. גילוי קוהרנטי עומד בבסיס הלידרים מבוססי הדופלר. לידרים אלו מודדים את הסחת הדופלר הנוצרת בגלי האור אשר מוחזרים מאירוסולים הנעים עם הרוח. הסחת הדופלר נמדדת בדרך כלל באמצעות מערכת גילוי אופטית קוהרנטית אשר הפאזה של המקור שלה מבוקרת באופן מדויק מאד, באמצעות ביצוע התאבכות של גל האור החוזר עם אוסצילטור מקומי. היות והסחת הדופלר היא מתכונתית לרכיב הרדיאלי של מהירות הרוח, יש צורך לבצע מדידת דופלר כזו בכמה כיוונים במרחב על מנת לקבל את מלוא וקטור מהירות הרוח הממוצע.
שיטת הגילוי הישיר מבוססת על דגימת האטמוספירה באמצעות פולסי לייזר, אשר רק העוצמה (לא הפאזה ולא אורך הגל) שלהם נמדדת ונדגמת בזמן. העוצמה של כל ההחזרים כפונקציה של הזמן מייצגת למעשה את מפת צפיפות האירוסולים לאורך קו הראיה של הפולס. וכך, באמצעות יצירת צבר של מפות אירוסולים חד מימדיות כמתואר לעיל, בכיוונים שונים ובזמנים שונים ניתן לחשב את שדה מהירות הרוח.
בהמשך נציג את תיאור השיטה של הקרוס-קורלציה למדידת וחישוב מהירות רוח. למען פשטות ההסבר, נניח רוח במרחב דו ממדי אשר נדגמת באמצעות שני צמדים של משדר-מקלט אופטיים. (ראה איור 1). כאשר הפולס המשודר נע בכיוון מעלה דרך האטמוספירה הוא עובר אינטראקציה עם האירוסולים הנמצאים באוויר ובאופן רציף עובר פיזור לכל הכיוונים. חלק (קטן) מהאור המתפזר נקלט על ידי המקלט. כל סיגנל נקלט הוא מתכונתי לצפיפות האירוסולים בקו הראיה של הפולס כפונקציה של הטווח. כך, באמצעות צבירה של הסיגנלים הנקלטים והטלתם על גרף דו מימדי כפונקציה של הטווח והזמן, מתקבלת בעצם מפה דו ממדית של צפיפות האירוסולים שחלפה דרך הקרן. (ראה איור 2).
[איור1]
[איור 2]
חישוב מהירות הרוח באמצעות עיבוד תמונה
נניח כי הרוח נושבת משמאל לימין ובנוסף נניח כי המבנים של צפיפות האירוסולים אינם משתנים באופן משמעותי במעבר שלהם מקרן אחת לשניה, אזי מפות צפיפות האירוסולים שתתקבלנה משני צמדי המשדר/מקלט תראינה דומות בהבדל הזמן שבו לוקח לרוח להגיע מקרן אחת לשניה. (ראה איור 3 שבו מוצגת מפת אירוסולים אופיינית המתקבלת משני צמדי משדר/מקלט).
עתה, היות והמרחק בין שני צמדי המשדר/מקלט ידוע, מספיק לדעת כמה זמן לקח למבנים האירוסוליים לעבור מקרן אחת לשניה על מנת לחשב את מהירות הרוח. את הזמן הזה ניתן למדוד בשיטת הקרוס-קורלציה, אשר בהמשך נציג כמה שיטות בהן ניתן ליישמה.
בעקבות עבודתו של באטלר (2001) ניתן להגדיר תת-מפה של המפה השמאלית בתור "גרעין" (Kernel). הרעיון העיקרי הוא למצוא במפה הימנית את התאום של המבנה הנראה בגרעין. תהליך זה מבוצע על ידי החלקה של הגרעין לאורך ולרוחב המפה הימנית תוך כדי חיפוש המקום שבו תתקבל הקורלציה המקסימלית. הנקודה שבה התקבלה הקורלציה המקסימלית נחשבת כתאום של הגרעין במפה הימנית ולכן הפרש הזמן בין הגרעין לבין תאומו במפה הימנית נחשב כהפרש הזמן שלקח לרוח לעבור מקרן אחת לשניה. (התהליך המתואר למעלה, נתון באיור 3).
[איור 3]
התהליך המתואר לעיל, מדגים באופן פשטני את שיטת הקרוס-קורלציה התלת מימדית המלאה המשמשת למדידת רוח באמצעות לידר אלסטי. כמובן שקיימות מספר שיטות מתמטיות ליישם את העקרונות המתוארים לעיל, חלקן מתוארות בספרות הרלבנטית, אולם העקרונות המתוארים לעיל משותפים לכולן.
מהתיאור למעלה ברור למדי שהדיוק של מדידת מהירות הרוח באמצעות שיטת הקרוס-קורלציה תלוי בהנחה שהמבנים האירוסוליים אינם משתנים באופן משמעותי בזמן שלוקח להם לחלוף מקרן אחת לשניה. הנחה זו נמצאת נכונה ותקפה ברוב המצבים האטמוספריים באמצעות היפותזת "הטורבולנציה הקפואה" הידועה של טיילור הגורסת שאם הטורבולנציה אינה גבוהה יותר מדי, ניתן להתייחס אליה כ "קפואה" בסקלת הזמן האופיינית לזרימת הרוח הממוצעת.
גילוי ישיר מול גילוי קוהרנטי
ה- SpiDAR (ראה איור 4) הינה מערכת לידר אלסטי פולסית למדידת מהירות רוח לשימוש בתעשיית אנרגיית הרוח. מערכות SpiDAR כבר מותקנות אצל מספר רב של מפתחי ומפעילי חוות רוח בעולם ובארץ וזו מערכת הלידר המסחרית הראשונה המבוססת על גילוי ישיר. גרסה נוספת של המערכת מיועדת להתקנה על גבי טורבינת הרוח על מנת לייעל את ה"ניהוג" של הטורבינה כלפי הרוח וכן להוריד משמעותית עומסים. מערכת ה-SpiDAR מבצעת סריקה אופטית של האטמוספירה באמצעות שמונה קרניים בסריקה קונית בעלת מפתח של 10 מעלות. חישוב ומדידת הרוח בכל גובה רצוי עד 200 מטר מבוצע כהכללה של שיטת הקרוס-קורלציה המתוארת לעיל.
[איור 4]
באיורים 5 ו- 6 ניתן לראות סיכום של שני ניסויי שטח להוכחת ביצועי ה SpiDAR בתנאי שטח שטוחים והרריים. ניסויי השטח בוצעו בחוות רוח מבצעיות בארה"ב ובאירופה. איור 5 מציג השוואה בין מדידות מהירות וכיוון הרוח שבוצעו על ידי ה-SpiDAR בהשוואה למדידות של שבשבת סטנדרטית. (אזור שטוח). איור 6 מציג השוואה לאורך ציר הזמן בין מדידות ה SpiDAR לבין ציוד מדידה סטנדרטי בשטח הררי.
[איור 5]
[איור 6]
היתרון העיקרי של גילוי ישיר הינו שהוא מבוסס אך ורק על עוצמת האור המוחזר מהאטמוספירה ואינו תלוי בפאזה או באורך הגל המדוייק. עקב תכונה זו ניתן לעשות שימוש בתכן פשוט ורובוסטי של מערכות שידור וקליטה אופטית, תוך שימוש ברכיבי מדף כגון, מקור הלייזר, גלאים, אופטיקה וכו' ובכך להוזיל משמעותית את מחיר המערכת. בניגוד לכך, גילוי קוהרנטי כשמו כן הוא, דורש בניית מערכת שידור-קליטה קוהרנטית תוך שליטה גבוהה באורך הגל ובפאזה של המקורת מודולטורים אקוסטו-אופטיים וגלאים יחודיים. עקב כך, מערכות גילוי קוהרנטיות הינן יקרות באופן משמעותי, רגישות יותר לתנאי שטח וצורכות הספק גבוה יותר.
יתרון מהותי נוסף של מערכות גילוי ישיר קשור לאפליקציה הקרקעית של מדידת הרוח. מערכות מבוססות דופלר חייבות לסרוק את האטמוספירה בזוית קונוס גבוהה יחסית (כ-60 מעלות) על מנת לאפשר רכיב רדיאלי בר מדידה ברוח אופקית. זווית פתיחה גדולה זו גורמת לכך שהמדידה המתקבלת במכשירי דופלר היא בעצם ממוצע מרחבי על פני מרחק של מאות מטרים. זו הסיבה שהדיוק של מכשירי דופלר מוגבל בשטח הררי מכיוון שהרוח אינה קבועה בסקלות של מאות מטרים. דבר זה מתבטא בתת הערכה של מהירות הרוח בעד 10 אחוזים, מגבלה שאינה קיימת במערכות גילוי ישיר.
הכותב הוא מייסד-שותף, סגן נשיא למחקר ופיתוח בחברת פנטאלום טכנולוגיות.
