淺析激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)能中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

【摘

要】

在過去十多年中，隨著風(fēng)能行業(yè)的不斷發(fā)展和激光測風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)步，激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)能領(lǐng)域得到了普遍認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于風(fēng)速測量的各種場景，在陸地和海上都有大量的應(yīng)用案例。產(chǎn)品迭代與技術(shù)創(chuàng)新極大推動了激光測風(fēng)雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用，使得激光測風(fēng)雷達(dá)從傳統(tǒng)的氣象和環(huán)保領(lǐng)域走入風(fēng)能行業(yè)，將風(fēng)速測量和風(fēng)資源評估推向更高的高度和更廣的維度。【關(guān)鍵詞】

激光測風(fēng)雷達(dá)

風(fēng)能

風(fēng)資源評估

功率曲線1.引言隨著中國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，中國已投產(chǎn)風(fēng)電場已經(jīng)位居世界第一位，風(fēng)能已經(jīng)成為中國的第三大能源來源，對中國的能源安全、綠色發(fā)展意義重大。激光測風(fēng)雷達(dá)作為一種近年來興起的、新穎的測風(fēng)手段，在風(fēng)能領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，具有下列主要優(yōu)點(diǎn)：（1）激光測風(fēng)雷達(dá)可以準(zhǔn)確測量整個葉輪高度的風(fēng)速。以前，風(fēng)機(jī)輪轂的高度通常在80米左右，而現(xiàn)在的輪轂高度已經(jīng)超過120米，尤其是在平原地區(qū)等風(fēng)切變較大的區(qū)域。建造如此高的測風(fēng)塔，其成本已經(jīng)非常高昂，后期的維護(hù)工作量更是非常大，而且更容易產(chǎn)生危險因素。面對高輪轂高度的測風(fēng)需求，激光測風(fēng)雷達(dá)可以高效、完美地解決這一問題。圖1：近十多年來，風(fēng)機(jī)的輪轂高度、葉輪直徑、額定功率都在不斷地快速提升和增加（2）激光測風(fēng)雷達(dá)可顯著降低風(fēng)資源評估的誤差。常規(guī)的項(xiàng)目評估，通常采用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)資源測量，然后利用風(fēng)資源評估的商業(yè)軟件推算風(fēng)電場各個機(jī)位的發(fā)電量，但是該方法具有較大的誤差。面對不同區(qū)域風(fēng)資源差異這一問題，利用激光測風(fēng)雷達(dá)對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充測量，可以顯著降低項(xiàng)目的投資風(fēng)險，優(yōu)化風(fēng)機(jī)排布方案，提高項(xiàng)目收益率。同時，現(xiàn)在平原地區(qū)的項(xiàng)目大多風(fēng)切變較大，測風(fēng)塔的測量高度通常遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)最終采用的輪轂高度，如果僅采用測風(fēng)塔推算更高高度的風(fēng)速，會進(jìn)入較大評估誤差。激光測風(fēng)雷達(dá)可以測量高度300米內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)參數(shù)，降低測風(fēng)塔在風(fēng)速垂直外推方面的風(fēng)險，確定合理的風(fēng)機(jī)輪轂高度，優(yōu)化項(xiàng)目方案。國際可再生能源服務(wù)與創(chuàng)新公司Ecofys（歐洲成長型企業(yè)500強(qiáng)Econcern集團(tuán)旗下子公司）認(rèn)為，風(fēng)資源評估主要存在四種誤差：系統(tǒng)誤差、垂直外推誤差、水平外推誤差、多年外推誤差。其項(xiàng)目評估結(jié)果表明：1、僅使用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)資源評估時，整體誤差為14%；2、使用激光測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行多點(diǎn)位切換測量時，該方法會降低水平外推和垂直外推的誤差，使得整體誤差降至8%。圖2：Ecofys對激光測風(fēng)雷達(dá)和測風(fēng)塔不確定性的分析（3）激光測風(fēng)雷達(dá)可以測量更多的風(fēng)數(shù)據(jù)，更好地評估和優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能。激光測風(fēng)雷達(dá)，可測量更多高度層、更多類型的風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)，對于風(fēng)機(jī)功率曲線的測量是非常有價值的數(shù)據(jù)，可以繪制更為精確的功率曲線，來評估和優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能。同時，激光測風(fēng)雷達(dá)的1Hz秒級數(shù)據(jù)，會提供風(fēng)速場更高時間分辨率的信息，對于研究風(fēng)資源特性、風(fēng)機(jī)載荷、風(fēng)機(jī)性能都是必要的輸入數(shù)據(jù)。（4）激光測風(fēng)雷達(dá)可以增加項(xiàng)目融資機(jī)會。使用激光測風(fēng)雷達(dá)，可以獲得更多更為信賴的數(shù)據(jù)，針對前期遺留的風(fēng)資源問題進(jìn)行針對性測量，同時可以節(jié)約設(shè)備部署時間和資金，提高投資者信心，提高項(xiàng)目的融資機(jī)會。（5）激光測風(fēng)雷達(dá)可以克服測風(fēng)塔建造和安裝的問題。陸上測風(fēng)塔的建設(shè)需要占用一定范圍的土地，有時征地問題較難解決，并且存在一定的安全隱患，尤其是在平原等人口稠密的地區(qū)。海上測風(fēng)塔的建造成本高昂，使用激光測風(fēng)雷達(dá)可以顯著降低成本，同時規(guī)避海上惡劣環(huán)境下施工和運(yùn)維的安全風(fēng)險。圖3：激光測風(fēng)雷達(dá)的野外安裝照片2.激光測風(fēng)雷達(dá)簡介激光測風(fēng)雷達(dá)通?？梢苑譃橄旅嫠姆N類型：垂直式激光測風(fēng)雷達(dá)、機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)、掃描式激光測風(fēng)雷達(dá)、控制式激光測風(fēng)雷達(dá)，四種產(chǎn)品的基本參數(shù)如下表所示。表1：不同類型激光測風(fēng)雷達(dá)的參數(shù)表2.1垂直式激光測風(fēng)雷達(dá)垂直式激光測風(fēng)雷達(dá)，可測量垂直上空290米高度內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向，可準(zhǔn)確獲取風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，同時測量12個高度層。更準(zhǔn)確、可靠的風(fēng)數(shù)據(jù)，可以確保項(xiàng)目成功融資、降低投資成本和不確定性。2.2機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)，通常安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)艙上，至少測量風(fēng)機(jī)前方2.5D距離處的風(fēng)速，有效量程通常要到達(dá)400米以上。機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)現(xiàn)在已經(jīng)成為一種不可或缺的、高效的風(fēng)機(jī)性能診斷工具，可用于風(fēng)機(jī)評估、性能優(yōu)化、故障原因研究。長距離式的機(jī)艙激光測風(fēng)雷達(dá)具有長達(dá)700米的測量距離，可滿足任何現(xiàn)有和未來風(fēng)力風(fēng)機(jī)的功率曲線測試要求的激光測風(fēng)雷達(dá)，尤其適用于海上大機(jī)組的功率曲線測試。圖4：機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)艙上，對風(fēng)機(jī)功率曲線進(jìn)行測量的照片2.3掃描式激光測風(fēng)雷達(dá)掃描式激光測風(fēng)雷達(dá)，一般安裝在地面上，對空間風(fēng)場進(jìn)行測量，可以設(shè)置多種模式的測量模式：固定高度角PPI模式、固定方位角RHI模式、風(fēng)廓線測量模式DBS模式、單光束測量模式LOS模式。該儀器的使用較為靈活，功能非常強(qiáng)大，用戶可以自行設(shè)置多種測量模式，或?qū)⒁延心Ｊ桨凑諟y量目的進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的測量效果。掃描式激光測風(fēng)雷達(dá)可以掃描一個平面上的風(fēng)速分布，這種獨(dú)特、靈活的測量方式，常常可以克服了其他測風(fēng)手段的不足，帶來意想不到和高附加值的測量結(jié)果。掃描式激光測風(fēng)雷達(dá)常規(guī)的應(yīng)用方向，是用于風(fēng)機(jī)的尾流測量、風(fēng)資源測量、風(fēng)機(jī)功率曲線。下圖4是掃描雷達(dá)安裝在海上風(fēng)電場，測量整場風(fēng)機(jī)尾流。右圖的結(jié)果圖清晰地呈現(xiàn)每臺風(fēng)機(jī)地尾流分布，有利于研究風(fēng)機(jī)尾流對于電量的衰減，從而提高風(fēng)機(jī)排布方案，提高項(xiàng)目的收益水平。圖5：掃描激光測風(fēng)雷達(dá)在海上風(fēng)電場的照片（左圖）與風(fēng)速結(jié)果圖（右圖）2.4控制式激光測風(fēng)雷達(dá)控制式激光測風(fēng)雷達(dá)，是激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)能領(lǐng)域的最新的前沿應(yīng)用，主要通過實(shí)時測量風(fēng)機(jī)前方200米內(nèi)的風(fēng)況，預(yù)測未來幾秒后風(fēng)機(jī)處的風(fēng)況，進(jìn)而優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制策略，來達(dá)到降低風(fēng)機(jī)載荷的目的。圖6：控制式激光測風(fēng)雷達(dá)的儀器配置與測量數(shù)據(jù)分布3.激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)能各個階段的作用激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)電項(xiàng)目的全生命周期的各個階段，都有非常有價值的應(yīng)用，其典型的應(yīng)用場景總結(jié)如下表。表2：激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)電全生命周期各個階段的應(yīng)用場景4.結(jié)論在過去十多年中，隨著風(fēng)能行業(yè)的不斷發(fā)展和激光測風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)步，激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)能領(lǐng)域得到了行業(yè)專家的普遍認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于風(fēng)速測量的各種場景，在陸地和海上的風(fēng)電項(xiàng)目都有大量的應(yīng)用案例。在過去，風(fēng)電行業(yè)主要依賴傳統(tǒng)的測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)速測量和風(fēng)資源的評估，現(xiàn)在激光測風(fēng)雷達(dá)不僅被行業(yè)普遍接受，而且已經(jīng)成為必不可少的測風(fēng)技術(shù)和手段。激光測風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品，能夠提供準(zhǔn)確