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激光雷达 测风“神器”!

摘要:在过去十多年中,随着风能行业的不断发展和激光雷达的技术进步,激光雷达在风能领域得到了行业专家的普遍认可,广泛应用于风速测量的各种场景,在陆地和海上都有大量的应用案例。在过去,风电行业主要依赖传统的测风塔进行风速测量和风资源的评估,现在激光雷达不仅被行业普遍接受,而且已经成为必不可少的测风技术和手段。

作为全球市场占有率最高的激光雷达,法国LEOSPHERE研发的WindCube®激光雷达产品,能够提供准确、可靠的数据和技术支撑,满足行业对于风速测量的需求。在很大程度上,WindCube的产品推广和技术创新,极大推动了激光雷达的发展和应用,使得激光雷达从传统的气象和环保领域走入风能行业,将风速测量和风资源评估推向更高的高度和更广的维度。当前,激光雷达正在改变我们风能行业的测风习惯,并不断创造更多的附加价值。

关键词:激光雷达、风能、风资源评估、功率曲线

微信图片_20201224141702.pngWindCube安装在野外时的照片

一引 言

随着中国风能产业的持续高速发展,中国已投产风电场已经位居世界第一位,截止2019年底,中国风电总装机容量已经到达210.05GW[1],位于世界第一位,远远超过第二位美国105.6GW的装机容量[2]。风能已经成为中国的第三大能源来源,对中国的能源安全、绿色发展意义重大。

激光雷达作为一种近年来兴起的、新颖的测风手段,在风能领域有广泛应用,具有下列主要优点:

(一)激光雷达可以准确测量整个叶轮高度的风速。以前,风机轮毂的高度通常在80米左右,而现在的轮毂高度已经超过120米,尤其是在平原地区等风切变较大的区域。建造如此高的测风塔,其成本已经非常高昂,后期的维护工作量更是非常大,而且更容易产生危险因素。面对高轮毂高度的测风需求,激光雷达可以高效、完美地解决这一问题。

微信图片_20201224141644.png风机的轮毂高度、叶轮直径、额定功率

都在不断地快速提升和增加[3]

(二)激光雷达可显著降低风资源评估的误差。常规的项目评估,通常采用测风塔进行风资源测量,然后利用风资源评估的商业软件推算风电场各个机位的发电量,但是该方法具有较大的误差。面对不同区域风资源差异这一问题,利用激光雷达对关键区域进行补充测量,可以显著降低项目的投资风险,优化风机排布方案,提高项目收益率。

同时,现在平原地区的项目大多风切变较大,测风塔的测量高度通常远低于风机最终采用的轮毂高度,如果仅采用测风塔推算更高高度的风速,会进入较大评估误差。激光雷达可以测量高度300米内的风速和风参数,降低测风塔在风速垂直外推方面的风险,确定合理的风机轮毂高度,优化项目方案。

国际可再生能源服务与创新公司Ecofys认为,风资源评估主要存在四种误差:系统误差、垂直外推误差、水平外推误差、多年外推误差。其项目评估结果表明:1、仅使用测风塔进行风资源评估时,整体误差为14%;2、使用激光雷达进行多点位切换测量时,该方法会降低水平外推和垂直外推的误差,使得整体误差降至8%。

微信图片_20201224141622.pngECOFYS对激光雷达和测风塔

不确定性的分析(节选并翻译成中文)[4]

(三)激光雷达可以测量更多的风数据,更好地评估和优化风机性能。激光雷达,可测量更多高度层、更多类型的风参数数据,对于风机功率曲线的测量是非常有价值的数据,可以绘制更为精确的功率曲线,来评估和优化风机性能。同时,激光雷达的1Hz秒级数据,会提供风速场更高时间分辨率的信息,对于研究风资源特性、风机载荷、风机性能都是必要的输入数据。

(四)激光雷达,可以增加项目融资机会。使用激光雷达,可以获得更多更为信赖的数据,针对前期遗留的风资源问题进行针对性测量,同时可以节约设备部署时间和资金,提高投资者信心,提高项目的融资机会。

(五)激光雷达,可以克服测风塔建造和安装的问题。陆上测风塔的建设需要占用一定范围的土地,有时征地问题较难解决,并且存在一定的安全隐患,尤其是在平原等人口稠密的地区。海上测风塔的建造成本高昂,使用激光雷达可以显著降低成本,同时规避海上恶劣环境下施工和运维的安全风险。

二激光雷达简介

WindCube系列激光雷达,可以分为以下四个产品线:垂直式激光雷达、机舱式激光雷达、扫描式激光雷达、控制式激光雷达,四种产品的基本参数如下表所示。

微信图片_20201224141601.pngWindCube系列激光雷达的基本参数表

2.1 垂直式激光雷达

垂直式激光雷达,可测量垂直上空290米高度内的风速风向。WindCube垂直式激光雷达,在全球市场同类产品的占有率第一,可准确获取风速风向数据,同时测量12个高度层。更准确、可靠的风数据,可以确保项目成功融资、降低投资成本和不确定性。

2.2 机舱式激光雷达

机舱式激光雷达,通常安装在风机机舱上,至少测量风机前方2.5D距离处的风速,有效量程通常要到达400米以上。机舱式激光雷达现在已经成为一种不可或缺的、高效的风机性能诊断工具,可用于风机评估、性能优化、故障原因研究。

2020年最新推出的WindCube Nacelle机舱式激光雷达,具有长达700米的测量距离,是现在市场上唯一能达到如此长距离,并满足任何现有和未来风力风机的功率曲线测试要求的激光雷达,尤其适用于海上大机组的功率曲线测试。

2.3 扫描式激光雷达

扫描式激光雷达,一般安装在地面上,对空间风场进行测量,可以设置多种模式的测量模式:固定高度角PPI模式、固定方位角RHI模式、风廓线测量模式DBS模式、单光束测量模式LOS模式。该仪器的使用较为灵活,功能非常强大,用户可以自行设置多种测量模式,或将已有模式按照测量目的进行组合,实现较为复杂的测量效果。扫描式激光雷达可以扫描一个平面上的风速分布,这种独特、灵活的测量方式,常常可以克服了其他测风手段的不足,带来意想不到和高附加值的测量结果。

扫描式激光雷达常规的应用方向,是用于风机的尾流测量、风资源测量、风机功率曲线。下图4是扫描雷达安装在海上风电场,测量整场风机尾流。右图的结果图清晰地呈现每台风机地尾流分布,有利于研究风机尾流对于电量的衰减,从而提高风机排布方案,提高项目的收益水平。

QQ截图20201224141537.png扫描激光雷达在海上风电场的照片(左图)与结果图(右图)

2.4 控制式激光雷达

控制式激光雷达,是激光雷达在风能领域的最新的前沿应用,主要通过实时测量风机前方200米内的风况,预测未来几秒后风机处的风况,进而优化风机控制策略,来达到降低风机载荷的目的。

微信图片_20201224141515.png控制式激光雷达的仪器配置与测量数据分布

三激光雷达在风能各个阶段的作用

激光雷达在风电项目的全生命周期的各个阶段,都有非常有价值的应用,其典型的应用场景总结如下表。

微信图片_20201224141415.png激光雷达在风电全生命周期各个阶段的应用

四结 论

在过去十多年中,随着风能行业的不断发展和激光雷达的技术进步,激光雷达在风能领域得到了行业专家的普遍认可,广泛应用于风速测量的各种场景,在陆地和海上的风电项目都有大量的应用案例。在过去,风电行业主要依赖传统的测风塔进行风速测量和风资源的评估,现在激光雷达不仅被行业普遍接受,而且已经成为必不可少的测风技术和手段。

作为全球市场占有率最高的激光雷达,法国LEOSPHERE研发的WindCube®激光雷达产品,能够提供准确、可靠的数据和技术支撑,满足行业对于风速测量的需求。在很大程度上,WindCube的产品推广和技术创新,极大推动了激光雷达的发展和应用,使得激光雷达从传统的气象和环保领域走入风能行业,将风速测量和风资源评估推向更高的高度和更广的维度。当前,激光雷达正在改变我们风能行业的测风习惯,并不断创造更多的附加价值。

微信图片_20201224141353.png机舱式激光雷达的安装在风机机舱上

对风机功率曲线进行测量的照片

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