KR20190080804A - Measurement method and system of spatially resolved CO2 flux using inelastic Lidar - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a measurement method of carbon dioxide flux space distribution using a non-elastic lidar and a measurement system thereof. The present invention can calculate a wide range of carbon dioxide flux through telemetry with one instrument and the measurement method comprises the steps of: measuring the concentration of carbon dioxide in the atmosphere by altitude using the non-elastic lidar; estimating the concentration of ground surface carbon dioxide using the concentration of carbon dioxide specified by altitude; and calculating carbon dioxide flux through the estimated carbon dioxide.

Description

비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 방법 및 측정 시스템{Measurement method and system of spatially resolved CO2 flux using inelastic Lidar}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and a system for measuring spatial distribution of carbon dioxide flux using inelastic ladder,

본 발명은 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 방법 및 측정 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon dioxide flux spatial distribution measuring method and system using inelastic ladder.

온실기체 중 하나인 이산화탄소는 국제사회에서 배출량을 파악하고, 규제를 통하여 감축하는 방향으로 나아가고 있다. 특히 이산화탄소를 지중에 저장하는 Carbon Capture & Storage (CCS) 기술에 대한 관심 및 수요가 증가하고 있다. 우리나라에서도 국제사회에 비해 최근에서야 CCS 기술을 확보하고 CCS를 관리하는 기술이 시작되었다. CCS에서 지상으로 누출되는 이산화탄소 플럭스를 측정하는 기술은 현재 지점 측정 장비를 통하여 한 지점에서의 누출되는 이산화탄소 플럭스를 측정하는 기술만 있으며 이는 넓은 CCS 전체를 관리하기에는 어려움이 있다. Carbon dioxide, one of the greenhouse gases, is moving toward identifying emissions from the international community and reducing emissions through regulations. In particular, interest and demand for Carbon Capture & Storage (CCS) technology, which stores carbon dioxide in the ground, is increasing. In Korea, the technology to acquire CCS technology and manage CCS has recently started compared with the international community. The technology for measuring carbon dioxide flux leaking from the CCS to the ground is only a technique for measuring the leakage of carbon dioxide flux at one point through current point measurement equipment, which makes it difficult to manage a wide range of CCS.

넓은 범위의 이산화탄소를 측정하는 기술로는 고압선을 이용한 이산화탄소 측정시스템 및 측정방법 (출원번호 10-2012-0025330)이 있다. 고압선을 이용한 이산화탄소는 측정 기술의 경우는 넓은 범위의 이산화탄소를 측정할 수 있지만 고압선이 위치한 곳에서만 측정 가능한 한계가 있으며 이산화탄소 플럭스의 공간분포는 파악 할 수 없다.As a technique for measuring a wide range of carbon dioxide, there is a carbon dioxide measurement system and a measurement method using a high-voltage cable (Application No. 10-2012-0025330). Carbon dioxide using high-voltage lines can measure a wide range of carbon dioxide in the case of measurement technology, but there is a limit to be measured only in the high-voltage line and the spatial distribution of the carbon dioxide flux can not be grasped.

본 발명은 대기 중 이산화탄소 플럭스를 측정하는 기술에 관한 것으로, 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포를 측정하는 기술에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for measuring atmospheric carbon dioxide flux, and a technique for measuring a carbon dioxide flux spatial distribution using inelastic ladder.

본 발명에서는 비탄성 라이다를 이용하여 원거리에서 지표 이산화탄소 플럭스를 산출하고 공간분포를 파악할 수 있다.In the present invention, it is possible to calculate the surface carbon dioxide flux at a long distance and to grasp the spatial distribution using inelastic ladder.

본 발명은 비탄성 라이다를 이용하여 장소에 제약 없이 이산화탄소 플럭스의 공간분포를 측정할 수 있다.The present invention can measure the spatial distribution of the carbon dioxide flux without restriction on the location using inelastic ladder.

기존의 이산화탄소 지점 측정 기술은 한 지점에서의 이산화탄소 플럭스를 측정할 수 있다. 넓은 지역의 이산화탄소 플럭스를 측정하기 위해서는 다수의 측정 장비를 이용하거나 측정 지역을 이동하면서 측정해야 한다. 또한 이산화탄소 플럭스 측정이 필요한 지역이 이동이 힘든 장소이면 측정하기에 많은 어려움이 발생한다. 하지만 본 발명은 비탄성 라이다를 이용하여 원거리에서 이산화탄소 플럭스를 산출할 수 있다. 본 발명 기술은 기존의 기술과 다르게 하나의 장비로 원격측정을 통하여 넓은 범위의 이산화탄소 플럭스를 산출할 수 있으며 이를 통하여 측정을 원하는 장소에 가지 않고 원거리에서 광경로 상에 위치한 이산화탄소 플럭스를 거리별로 산출할 수 있다.Conventional carbon dioxide point measurement techniques can measure carbon dioxide flux at a single point. To measure CO 2 fluxes in large areas, measurements must be made using multiple measuring instruments or moving the measurement area. In addition, it is difficult to measure the area where the carbon dioxide flux measurement is required. However, the present invention can calculate the carbon dioxide flux at a long distance using inelastic ladder. Unlike the existing technology, the present invention can produce a wide range of carbon dioxide flux through telemetry using a single device, so that the carbon dioxide flux located on the optical path at a distance from the desired location can be calculated by distance .

도 1은 본 발명의 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 비탄성 라이다의 구조이다.
도 3은 본 발명의 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 시스템이다.
도 4는 회귀식을 통한 지표 이산화탄소 농도 추정의 예시이다.
도 5는 회귀식을 통한 지표 이산화탄소 농도 추정의 또 다른 예시이다.
1 is a flow chart of a carbon dioxide flux spatial distribution measuring method using the inelastic ladder of the present invention.
2 shows the structure of the inelastic Lada of the present invention.
3 is a carbon dioxide flux spatial distribution measurement system using the inelastic ladder of the present invention.
Figure 4 is an example of estimating the surface carbon dioxide concentration through a regression equation.
Figure 5 is another example of estimating the surface carbon dioxide concentration through a regression equation.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the embodiments and terminologies used herein are not intended to limit the invention to the particular embodiments described, but to include various modifications, equivalents, and / or alternatives of the embodiments.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 방법의 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 비탄성 라이다의 구조이다. 도 3은 본 발명의 비탄성 라이다를 이용한 이산화탄소 플럭스 공간분포 측정 시스템이다.1 is a flow chart of a carbon dioxide flux spatial distribution measuring method using the inelastic ladder of the present invention. 2 shows the structure of the inelastic Lada of the present invention. 3 is a carbon dioxide flux spatial distribution measurement system using the inelastic ladder of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 이산화탄소 플럭스 측정 방법은, 비탄성 라이다를 이용하여 수평 방향의 이산화탄소 농도 분포를 측정하는 단계; 상기 비탄성 라이다를 지면에서 수직 방향으로 이동하면서 고도별 이산화탄소 농도를 측정하는 단계; 선형회귀를 통해 지표면의 이산화탄소 농도를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 이산화탄소 농도를 통하여 이산화탄소 플럭스를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the carbon dioxide flux measuring method of the present invention includes: measuring a carbon dioxide concentration distribution in a horizontal direction using inelastic ladder; Measuring the carbon dioxide concentration at the altitude while moving the inelastic ladder in a vertical direction on the ground; Estimating the carbon dioxide concentration of the ground surface through linear regression; And calculating the carbon dioxide flux through the estimated carbon dioxide concentration.

먼저, 비탄성 라이다를 이용하여 수평 방향의 이산화탄소 농도 분포를 측정하는 단계에서는, 이산화탄소 누출이 발생한다고 판단되는 위치로부터 원거리에 위치한 비탄성 라이다를 이용하여 수평 방향의 이산화탄소 농도 분포를 측정할 수 있다. First, in the step of measuring the carbon dioxide concentration distribution in the horizontal direction using the inelastic ladder, the carbon dioxide concentration distribution in the horizontal direction can be measured using the inelastic ladder located at a distance from the position where it is determined that the carbon dioxide leakage occurs.

구체적으로, 도 2를 참고하면, 비탄성 라이다는 다양한 렌즈(L1, L2, L3, L4), deformable mirror(D.M1,D.M2), 필터(F1, F2, F3, F4), 및 광전 증폭관 (Photo Multiplier Tube: PMT1, PMT2, PMT3)을 포함할 수 있다. Specifically, referring to FIG. 2, the inelastic lens L3 includes various lenses L1, L2, L3, and L4, deformable mirrors D. M1 and D. M2, filters F1, F2, F3, and F4, And an amplification tube (Photo Multiplier Tube: PMT1, PMT2, PMT3).

먼저 355 nm 파장의 레이저를 이산화탄소 농도를 측정하고자 하는 방향으로 송신할 수 있다. 다음으로, 송신된 레이저는 expander를 통과하여 확장되어 망원경 중심에서부터 앞으로 나아간다. 망원경을 통하여 들어온 빛을 수신단으로 보낸다. 수신단으로 들어온 빛을 L1 렌즈를 통과하여 평행하게 진행하도록 만들어 D.M1으로 보낸다. D.M1에서 360nm 이상의 파장의 빛은 반사시키고 (입사각 45°) 360nm 미만의 파장의 빛은 투과시킨다. D.M1에서 투과된 360nm 미만의 파장의 빛은 F4 355nm 파장의 빛만 투과할 수 있는 필터를 거친 후 L4 렌즈를 통과하여 빛을 모아 PMT3에서 355nm 파장의 빛을 측정한다. D.M1에서 반사된 360nm 이상의 파장의 빛은 F1 (Notch filter, 355nm)을 통과하면서 355nm 의 파장의 빛을 제거된다. F1 필터를 통과한 빛은 D.M2에서 380nm 이하의 빛은 반사시키고 (입사각 45°) 380nm 초과의 파장의 빛은 투과시킨다. D.M2에서 반사된 380nm 이하의 빛은 F2 필터를 통과하면서 CO2 비탄성 파장인 372nm 의 파장의 빛만 통과한다. F2 필터를 통과한 빛은 L2 렌즈를 통과하여 빛을 모아 PMT1에서 372nm 파장의 빛을 측정한다. D.M2에서 투과된 380nm 초과된 빛은 F3 필터를 통과하면서 N2 비탄성 파장인 387nm 의 파장의 빛만 통과한다. F3 필터를 통과한 빛은 L3 렌즈를 통과하여 빛을 모아 PMT2에서 387nm 의 파장의 빛을 측정한다. 상기 과정을 통해 비탄성 라이다로 측정된 비탄성 신호를 통하여 이산화탄소 농도를 산출할 수 있다.First, a laser with a wavelength of 355 nm can be transmitted in the direction to measure the carbon dioxide concentration. Next, the transmitted laser expands through the expander and advances from the center of the telescope. The light coming through the telescope is sent to the receiver. Let the light coming into the receiving end pass parallel to the L1 lens and send it to D.M1. D. In M1, light of a wavelength of 360 nm or more is reflected (incident angle 45 °) and light of a wavelength of less than 360 nm is transmitted. D. The light of wavelength less than 360nm transmitted through M1 passes through a filter which can transmit only the light of F4 355nm wavelength, passes through the L4 lens, collects the light, and measures the light of 355nm wavelength in PMT3. The light of 360 nm or more reflected from D.M1 passes through F1 (Notch filter, 355 nm), and the light of 355 nm wavelength is removed. The light passing through the F1 filter reflects light of 380 nm or less (incident angle 45 °) in D.M2 and transmits light of wavelengths over 380 nm. Light of 380nm or less reflected in D.M2 is passed through while passing through the filter F2 CO 2 is only light of the wavelength of the non-elastic 372nm wavelength. The light passing through the F2 filter passes through the L2 lens, collecting the light, and measuring the light of wavelength 372 nm from PMT1. 380nm, the excess light transmitted from D.M2 is passed through while passing through the filter F3 N 2 inelastic wavelength of only light of a wavelength of 387nm. The light passing through the F3 filter passes through the L3 lens, collecting the light, and measuring the light with a wavelength of 387 nm in PMT2. Through the above process, the carbon dioxide concentration can be calculated through the inelastic signal measured by the inelastic Lada.

다음으로, 도 3을 참고하면, 비탄성 라이다를 지면에서 수직 방향으로 이동하면서 n개의 높이에서의 고도별 이산화탄소 농도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 지면으로부터 10, 30, 50, 70 및 90 cm의 높이에서 이산화탄소 농도를 측정할 수 있다. Next, referring to FIG. 3, it is possible to measure the carbon dioxide concentration at the altitude at n heights while the inelastic ladder moves in the vertical direction on the ground. For example, carbon dioxide concentrations can be measured at elevations of 10, 30, 50, 70 and 90 cm from the ground.

다음으로, 선형회귀를 통해 지표면의 이산화탄소 농도를 추정할 수 있다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 고도별 이산화탄소 농도를 이용하여 회귀식을 통해 지표면의 이산화탄소 농도를 추정할 수 있다.Next, the carbon dioxide concentration of the surface of the earth can be estimated through linear regression. Referring to FIGS. 4 and 5, carbon dioxide concentration on the surface of the earth can be estimated through a regression equation using the CO2 concentration per altitude.

다음으로, 지점 측정 장비를 이용하여, 지표 풍속, 지표 온도, 지표 기압 및 지표 습도를 측정할 수 있다.Next, the point wind speed, surface temperature, surface pressure and surface humidity can be measured using point measurement equipment.

이후, 상기 추정된 이산화탄소 농도 및 상기 측정된 지표 풍속, 지표 온도, 지표 기압 및 지표 습도를 하기 수학식 1에 대입하여 이산화탄소 플럭스를 산출할 수 있다.The carbon dioxide flux can be calculated by substituting the estimated carbon dioxide concentration, the measured surface air velocity, the surface temperature, the surface air pressure, and the surface humidity into the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명의 측정방법 및 측정 시스템을 통해 원거리에서 이산화탄소 플럭스를 산출할 수 있다. 본 발명 기술은 기존의 기술과 다르게 하나의 장비로 원격측정을 통하여 넓은 범위의 이산화탄소 플럭스를 산출할 수 있으며 이를 통하여 측정을 원하는 장소에 가지 않고 원거리에서 광경로 상에 위치한 이산화탄소 플럭스를 거리별로 산출할 수 있다.The measurement method and measurement system of the present invention can be used to calculate the carbon dioxide flux at a distance. Unlike the existing technology, the present invention can produce a wide range of carbon dioxide flux through telemetry using a single device, so that the carbon dioxide flux located on the optical path at a distance from the desired location can be calculated by distance .

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (3)

비탄성 라이다를 이용하여 수평 방향의 이산화탄소 농도 분포를 측정하는 단계;
상기 비탄성 라이다를 지면에서 수직 방향으로 이동하면서 고도별 이산화탄소 농도를 측정하는 단계;
선형회귀를 통해 지표면의 이산화탄소 농도를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 이산화탄소 농도를 통하여 이산화탄소 플럭스를 산출하는 단계를 포함하는 이산화탄소 플럭스 측정 방법.
Measuring the carbon dioxide concentration distribution in the horizontal direction using inelastic ladder;
Measuring the carbon dioxide concentration at the altitude while moving the inelastic ladder in a vertical direction on the ground;
Estimating the carbon dioxide concentration of the ground surface through linear regression; And
And calculating the carbon dioxide flux through the estimated carbon dioxide concentration.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 플럭스를 산출하는 단계에서는,
지표 풍속, 지표 온도, 지표 기압 및 지표 습도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
상기 추정된 이산화탄소 농도 및 상기 측정된 자료를 하기 수학식 1에 대입하여 이산화탄소 플럭스를 산출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플럭스 측정 방법.
[수학식 1]
Figure pat00002
The method according to claim 1,
In the step of calculating the carbon dioxide flux,
Further comprising the step of measuring the surface air velocity, the surface temperature, the surface air pressure and the surface humidity,
Wherein the carbon dioxide flux is calculated by substituting the estimated carbon dioxide concentration and the measured data into the following equation (1).
[Equation 1]
Figure pat00002
지면에서 수직 방향으로 이동 가능한 비탄성 라이다를 포함하는 이산화탄소 플럭스 측정 시스템.Wherein the carbon dioxide flux measurement system includes an inelastic ladder that is movable in a vertical direction on the ground.
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