ZX Lidars의 특징

ZX Lidars는 Continuous Wave (CW)를 사용하는 라이다 입니다.
CW는 플로팅 부이 시스템(FLS), 터빈 마운트 시스템에서
매우 큰 장점을 지니고 있습니다.
높은 민감도

CW라이다는 레이저가 지속적으로 전달되는 방식임으로,
일반적으로 Pulsed system보다 10배 높은 힘의 레이저를 사용할 수 있음.

파워가 높은 빛(레이저)은 에어로졸 산란에 더 큰 반사강도를 주어, 더 높은 감도를 가짐.

또한, 레이저광이 관측범위 전층에 한번에 퍼지는 Pulsed system과 달리,
CW라이다는 레이저를 한번 관측에 한층에 집중시킴으로써, 상대적으로
더 높은 감도를 가짐.

따라서, 에어로졸이 적은 높은 고도,산간지방, 추운 기후 등에서도
데이터 가용성이 매우 높음

모든 측정고도에 일정한 민감도

CW 라이다는 난류(turbulence) 및 전단(shear)이 퍼져 있는
낮은 높이(10m)에서 Probe 길이를 정의하기 위해 focusing 을 사용.

따라서, 초점이 매우 좁음. 그러나 바람의 흐름이 훨씬 균일한 경향이 있는
높은 고도에서는 Probe 볼륨이 확장되어 모든 측정 높이에서 감도가 똑같이 유지됨.

대조적으로, 펄스 시스템은 일반적으로 측정 범위의 중심에 위치하는 약한 초점만을 사용.

따라서 맑은 공기에서 Pulsed system의 데이터 가용성은
측정 높이의 상한 범위에서 급속히 악화 될 수 있음.

많은 샘플링(원시) 데이터

CW 라이다의 높고, 일정한 감도는 매우 높은 측정율을 쉽게 달성.

ZephIR 라이다는 매초 50 개의 LOS(Line-Of-Sight)를 획득 (Sampling).
50개의 측정값으로 3개의 미지수(수평풍속, 수직풍속, 풍향) 만 풀면 되므로
데이터 수집에 많은 양의 중복이 발생.

이 50개의 측정 값 각각을 검사하고 품질을 제어. 예를 들어, 풍력 매개 변수를 계산할 때
저품질 데이터보다 더 우수한 최고 스펙트럼 데이터를 식별하고 가중치를 줄 수 있음.

또한, 스캔 영역 인근에 있는 인공 건축물, 나무 등의 영향을 받는 경우, ZephIR 라이다는
스캔의 대부분이 가려져 있어도 성공적으로 작동 할 수 있음을 의미.

그러나 펄스 시스템은 일반적으로 3 ~ 5 회의 측정(sampling)만 수행.
이러한 중복성 결핍은 품질 관리를 훨씬 어렵게 만들고, 웨이크(Wake)
또는 차광(obscuration)이 있을 때 측정이 불가능해질 수 있음.

낮은 고도(10m) 에서 관측 가능

- Pulsed System은 일반적으로 약 40m의 '사각 지대'를 가짐.
- CW 라이다는 이러한 제한이 없으며 원칙적으로 몇 cm까지 측정 할 수 있음. 그러나 실제로는 Class 1 레이저 안전 등급을 보장하기 위해,
  일반적으로 최소 10m 높이부터 측정.
- 이것은 짙은 안개 조건에서도 ZephIR 라이다가 약 30m까지 측정 할 수 있는 반면, Pulsed system은 측정 불가.
- CW lidar에서 얻을 수 있는 이러한 낮은 높이 측정은, 심한 안개로 uncertainty가 높아질 경우, 이를 줄이기 위한 외삽(extrapolated) shear 가 될 수 있음.
- 또한,  해상(off-shore)에서 라이다 설치 위치가 해수면에서 30 ~ 50 미터 위일 경우, ZephIR 라이다는 40 ~ 60 미터 부터 측정이 가능하나,
  Pulsed system의 경우 70 ~ 90 미터부터 측정이 가능함. 이는 해상풍력터빈의 블레이드 하단부의 바람을 볼 수 없는 높이임.

단순하고 견고한 광학 핵심부

- CW 라이다 하드웨어의 광학 핵심부는 매우 간단하고 견고한 디자인
- 이는 북부의 겨울, 중동의 여름 및 근해의 부표 및 플랫폼과 같은 거친 기후에서도 높은 수준의 시스템 가용성을 제공 또는 진동에 대한 높은 내성을 부여
- 대조적으로, 펄스 시스템은 훨씬 더 복잡하여 더 많은 잠재적 고장 모드와 짧은 서비스 간격을 제공
- ZephIR 라이다의 경우 전제품이 3년 Warranty를 지원함.

움직이는 부이에서의 안정적인 바람 측정

ZephIR 라이다는 상당한 기울기 (pitch 및 roll 최대 20 °) 및 움직임 (surge, sway, heave)이
있는 경우에도 10분 평균 풍속 데이터를 안정적으로 생성 할 수 있는 능력을 반복적으로 증명.

이것은 기계적 안정화 또는 소프트웨어 보정이 필요없이 이루어졌으며 두 가지 모두
pulsed system의 경우 일반적으로 필요함.

ZephIR 라이다가 움직임이 있는 곳에서 잘 작동하는 이유는 노이즈 대비 높은 신호대역을
가짐으로 매우 깨끗한 도플러 스펙트럼을 제공하고, 이 스펙트럼이 50Hz에서 획득
(50개의 샘플링 데이터) 되어, 부이의 움직임을 효과적으로 고정시키는 역할을 하기 때문.

Pulse 라이다는 본질적으로 민감도가 낮기에, 상당한 부이 움직임이 있는 경우,
수백 밀리 초에 걸쳐 각 LOS 속도 측정을 통합해야 함. 고요한 상태에서도
pulsed syste의 스펙트럼은 CW에 비해 매우 넓음.

50Hz 스펙트럼 데이터의 가용성은 1차적인 바람 통계 뿐 아니라 난류의
정확한 측정을 위한 소프트웨어 모션 보정을 적용함으로써 정확하고 정밀한
단기 (1초) 데이터를 생성하게 함. 정적 틸트(static tilt)에 대하여 CW 라이다의
바람측정이 안정적이라는 것은 증명된 사실.

다양한 부이 시스템에 적용된 경험

- ZephIR 라이다는 해상부이에 적용한 최초의 윈드 라이다임.
- 그동안 매우 안정적인 텐션 레그 부이(tension leg buoys), 중간 안정성의 스파 부이(spar buoys), 그리고 상당한 움직임을 보이는 웨이브 부이(wave buoy)를
  포함하여 다양한 부이 기술에 사용되었음.
- 풍속 측정의 고정밀도 및 정확성 (gradients within 1% and R2 > 0.98 )과 매우 높은 데이터 가용성 (98-100 %)은 이러한 시도의 일관된 특징이었음.

마린 그레이드 부품 사용

- ZephIR 라이다는 IP67 등급으로 해양 등급의 외부 부품을 사용
- 또한, 진동 및 염수 노출 테스트를 통과한 부품을 사용

스위프 로터 전체 영역을 커버하는 측정 범위

50개의 원시데이터를 사용하면,  rotor 직경 전체에 대한 rotor averaged -
wind speed, rotor equivalent wind speed, wind shear, wind veer 등을
직접 계산할 수 있음.

난류 강도와 함께 이러한 모든 매개 변수는 입사 바람의 에너지 양에 영향을 미치며,
풍력 터빈 출력 곡선에 영향을 미칠 수 있음.

대조적으로, Pulsed system은 일반적으로 2 - 5 개의 측정 빔 만을 가지고 있음

스트레이트 포워드 터빈 모션 보정

- 풍속이 높은 경우에는 터빈이 기울어짐. 이로 인해  fixed angle pulsed systems에서는 측정 높이가 원하지 않는 변화를 일으키지만,
  CW 라이다는 쉽고 정확하게 보정 할 수 있습니다.

가까운 범위 측정 가능

- CW 라이다는 10m에서부터 측정가능하기에, 라이더에 입사 될 풍향의 아주 좋은 예측을 가능하게 하고, 유입되는 바람이 블레이드에 접근 할 때
  터빈 로터에 의해 감속되는 유도( '방해') 효과를 조사 할 수 있게함.
- 10 - 30m의 범위에서 데이터는 매우 정확하지만 터빈이 바람으로부터 최대 에너지를 추출하거나 과도한 피로 하중을 피하기 위해 제어 할 수 있는 시간을 허용.

비교할 수 없는 경험

- ZephIR사는 2003년 세계 최초로 풍력터빈에 라이다를 설치 운영한 선구자.
- 그 이후로 풍력 에너지 학계와의 여러 조사를 포함하여 수많은 사례에서 얻은 경험을 통해 ZephIR 라이다는 고객이 필요할 때 필요한 데이터를 제공.