I denne artikel vil jeg gerne præsentere DTUs diode-laserbaserede vind-LIDAR-systemer, både som forskningsområde, men især som et succesfuldt stykke innovation udført i tæt samarbejde med CTO/Windar Photonics, Jørgen Korsgaard og bag ham en gruppe danske investorer.
Det fælles samarbejde har resulteret i start-up firmaet Windar Photonics med hovedsæde i Høje Taastrup. Windar Photonics, som nu tæller 26 ansatte, blev per 1. marts 2015 børsintroduceret på AIM børsen i London med en estimeret markedsværdi på cirka 360 millioner kroner.
Forud for AIM børsintroduktionen er der gået 10 år med forskning, udvikling og markedsmodning inklusive en meget betydelig risikovillighed. Den afgørende faktor har været vedholdenhed og godt samarbejde i udviklings- og innovationsprocessen.
Hvornår innovation er forskning, og hvornår den er industriel udvikling, kan være vanskelig at definere, men for mig er den rigtige grænse for et teknisk universitet, når innovation bliver 'disruptive' (forstyrrende, red.) og dermed bryder med den gængse tilgang til opgavens løsning.
Vind-sensor til energioptimering af vindmøller
Danmark har et energipolitisk mål om, at i år 2020 skal 30 procent af energiressourcerne komme fra vedvarende energi, og fra år 2050 skal Danmark være selvforsynende med vedvarende energi.
\ Fakta
Den principielle vanskelighed ved LIDAR vindsensoren er den ekstremt lille tilbagespredning, som aereosolerne giver anledning til på 80 meters afstand. Den effektive refleksionskoefficient fra målevolumenet er af størrelsesordenen 10-11 til 10-13, afhængigt af årstid og placering af vindmøllen. Til illustration: Havde LIDAR’en været en vægt, ville det svare til, at den skulle detektere en vægtændring på 0,2 gram af Emma Mærsk - verdens største skib (i 2009), som vejer 176.000 tons!
En stor del af denne vedvarende energi skal komme fra vindmøller og vil kræve store investeringer i vindmølleparker.
Et vindmålesystem, som kan øge effektiviteten af møllerne og nedsætte sliddet bare få procent, er derfor af stor kommerciel interesse.
Det er denne udfordring, som Windar Photonics og DTU Fotonik har løst.
Målinger fra vindmøller påvirkes af turbulensen
Problemet med traditionelle vindsensorer til vindmøller, altså vind-anemometret (vindhastighed) og vindfanen (vindretning) er, at disse nødvendigvis må monteres oven på selve møllehovedet (nacellen), idet målingen skal være repræsentativ for den aktuelle og højdeafhængige vind.
Med denne placering tæt ved møllen påvirkes målingerne af turbulensen fra vingerne (se illustrationen herunder).
Resultatet er usikre vindmålinger, som giver anledning til en ikke optimal krøjning, altså indstilling af mølletårnet i forhold til vindretningen. Dermed følger en reduktion i effektivitet og et øget slid på grund af uens belastning af møllens bevægelige dele.
Ønsket er derfor en vindsensor, som kan placeres på nacellen og måle vindhastighed og retning 80 meter foran møllen i en turbulensfri zone, som på billedet herunder af Vestas vindmøllen.
De første år blev der udelukkende fokuseret på bestemmelse af vindhastigheden og ikke vindretningen (krøjning).
En øjenåbner var det derfor, da vi fik besøg af en ekstern og branchekendt forretningsmand, som påpegede problemerne med krøjning som det væsentligste kommercielle problem.
Prisen på fiberlaser er for dyrt
Et traditionelt kohærent, heterodynt LIDAR system kan løse denne måleopgave (LIDAR=Light Detection And Ranging).
Ved at dele en monokromatisk laserstråle i henholdsvis en reference stråle, som sendes direkte til en følsom detektor, og en 'måle'-stråle, som fokuseres i den ønskede måleafstand foran møllen, kan Doplerskiftet mellem det tilbagespredte signal fra areosolerne i målevolumen og referencestrålen sammenlignes og Doplerskiftet findes.
Doplerskiftet opstår, fordi aerosolerne (støv, regndråber, pollen etc.) bevæger sig med vindflowet, som dermed repræsenterer vindhastigheden i målevolumen.
Kohærente LIDAR systemer til vindhastighedsmåling blev allerede demonstreret omkring 1970, men prisen for disse traditionelle løsninger er alt for høj til installation på individuelle vindmøller.
Den primære årsag er prisen af den fiberlaser samt efterfølgende fiberforstærker, som kræves (se billedet af fiberlaseren herunder).
Effektivitetsgevisten ved LIDAR sensorer var for uklar
På forskningscenter Risø var der allerede i årene op til 2005 et CO2-laserbaseret vind-LIDAR-forskningsprojekt. Den potentielle anvendelse til vindmøller var således allerede erkendt, men resultaterne var langt fra lovende, idet CO2 laserteknologi var for dyr og kompliceret til denne anvendelse.
Samtidigt var det uklart, hvor stor effektivitetsgevinst man kunne forvente med en LIDAR vindsensor, da den nødvendige forskning endnu ikke var udført. På den baggrund var der taget en beslutning om, at aktiviteten skulle afvikles ved projektets udløb.
Heldigvis fik vi i sidste øjeblik identificeret en mulig afløser til CO2 laseren, nemlig en prisbillig monolitisk, højeffekts taperet diodelaser.
Jørgen Korsgaard, som havde fulgt projektet undervejs, indvilligede nu i at finansiere yderligere et års 'Proof of Concept' til at undersøge denne nye laser til brug i en prisbillig, robust og kompaktvind sensor.
Derved blev vind sensor projektet reddet fra lukning.
En billig LIDAR løsning er baseret på en diodelaser
Da vi i 2005 påbegyndte samarbejdet med Jørgen Korsgaard, var det med det formål at implementere en billig LIDAR løsning, baseret alene på en diodelaser, som teknisk og prismæssigt kunne bruges til individuelle vindmøller.
Dette var aldrig før blevet demonstreret - faktisk var der videnskabelige artikler fra omkring år 2000-skiftet, som opremsede flere reelle problemer ved en sådan – i princippet – attraktiv løsning.
Der var derfor tale om en velkalkuleret risiko for begge parter i forhold til at påbegynde projektet – et kendetegn ved 'disruptive' innovation.
I 2008 kunne vi endelig publicere de første vindmålinger, baseret på diodelaser teknologi. Det tog dog yderligere 3 år (2011), før vi kunne publicere de første sammenlignede feltmålinger fra vindmøller (se figuren ovenfor).
I de mellemliggende år blev der arbejdet minutiøst på at forstå og fjerne selv små støjkilder samt afprøve en lang række forskellige designs. Det er klart, at stor vedholdenhed og dedikation i denne fase har været afgørende for projektets udfald.
Aktiv og individuel styring af vindmøllebladene er hensigten
Vi arbejder nu på næste generation af vindsensorer. Således er der et ønske om at kunne måle vindens nærfelt med henblik på at opnå aktiv og individuel styring af vindmøllebladene ('pitch kontrol'). Dette arbejde er finansieret gennem EUDP.
Videre er vi ved at se på nye LIDAR principper. Windar Photonics selv har primært fokus på at øge salg og produktion, hvilket selvsagt er en stor og vigtig opgave.
En vigtig faktor i det gode projektforløb har været Windar Photonics tidlige forståelse for, at DTU har et stærkt fokus på forskning og publicering. Denne accept har efterfølgende gjort samarbejdet meget smidigt. En blåstempling gennem 'White papers' fra DTU Fotonik og DTU Vind har ligeledes været godt for Windar Photonics i både finansierings- og salgsarbejdet.
Slutteligt vil jeg gerne viderebringe den fornøjelse, jeg oplevet - i samarbejde med mine forskerkollegaer - i forbindelse med at skabe teknologisk grobund for nye arbejdspladser og vækst i samfundet. Således er der allerede tre tidligere ingeniørstuderende fra DTU Fotonik, som har arbejde hos Windar Photonics.
De helt centrale deltagere i LIDAR vindsensor-projektet har fra DTU Fotoniks side været seniorforsker Peter John Rodrigo og Rene Skov Hansen samt erhvervsforsker Ph.d. Qi Hu. På den tekniske side har Henning E. Larsen og Finn Pedersen været til stor hjælp.
