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激光雷达测风有多厉害?看这里让你炼成火眼金睛

发布时间:2019-06-29 18:15 来源:未知 编辑:admin

  我们走过地质时代,探究恐龙和人类的远亲,利用太阳和月亮辨别时间;我们趟过钻木取火的河流,利用倾斜的树枝和绵延的山脊,探索一缕风的“来龙去脉”。然而除此之外,今天我们还可以用什么方式,实现精准测风?

  随着风电行业竞价上网和分散式等相关政策的推进,精准评估风电项目的资源水平和风况特征,成为影响风电场机组选型、投资建设的主要因素。而测风设备作为风资源数据的收集端,其优质稳定的测量对于风电场资源的准确评估也是举足轻重。“鬼斧神工”的大自然将复杂区域风资源测量工作难度攀升,如何“多快好省”地评估风资源准确性,成为风电行业发展的迫切需求。

  激光雷达测风作为新型的移动测风技术,利用激光的多普勒频移原理,通过测量光波反射在空气中遇到风运动的气溶胶粒子所产生的频率变化得到风速、风向信息,从而计算出相应高度的矢量风速和风向数据。和传统的测风塔获取风速数据方式相比,激光雷达在风电场测风技术优势更明显,更有“发言权”:激光雷达数据更丰富;可同时测得不同高度的水平、垂直风速、风向数据,入流角等;激光雷达数据获取方便灵活,可满足各种地形项目数据测试;测量性能强大,满足40m~300m,12个高度层风参数据测量;测试精度高,数据完整率更高;测量数据更安全可靠。

  早在2014年,新疆金风科技股份有限公司(下称“金风科技”)就引进了行业内首个激光雷达测风设备,在新疆达坂城完成为期三个月的精细化测风过程。通过4年多对设备适应性的不断探究和在不同地形、天气条件下的测量条件分析,截至目前,金风科技已为超过200个风电场提供雷达精细化测风服务,为超过20个运行风电场后评估测风。

  针对安装过程中存在各项环节,金风科技已形成规范的安装手册及技术规范,提高安装效率和质量,保证设备安全有效运行。同时,保障不同测试环境、不同类型设备,配置不同供电系统下设备的正常运行,保证数据完整率超过95%。此外,编制雷达数据处理标准规范雷达数据使用,避免不同数据处理方式造成数据结果的偏差。金风科技建立完善的激光雷达设备安装和数据处理相关企业标准,指导雷达在风电行业内的高质量使用。

  在复杂地形区域,测风塔代表性难以满足风资源评估要求,仅通过测风塔数据模拟得到的结果存在很大差异。而通过激光雷达在风险区域实地测量,结合现有测量结果和软件模拟对比,将有效识别风险区域的真实性,规避潜在风险。

  以山西某复杂山地项目为例,测风塔位于场区南部,距离北部场区最远距离约12km,海拔落差120m,测风塔对于北部场区6个风机点位代表性严重不足,流体软件模拟出来6个风机点位的平均风速为5.31m/s,使用金风科技GW140-2.5MW机型平均发电小时数2063h,而其中风模型的不确定度极大,是否采用难下定论,新立测风塔需要征地手续,时间成本高,且项目开发周期接近尾声。金风科技利用激光雷达测风仅用短短数月,和同期测风数据对比分析后,得到该区域的平均风速为4.82m/s,满发小时数仅1621h。客户根据这份雷达分析报告,决策会议后舍弃了该区域机位点,有效避免低效资产风险,提高项目整体可靠性。

  激光雷达的灵活性、便携性,可更快速、有效对风机的功率曲线进行确定或验证,对在实际运行环境下风机的运行表现分析有重要意义。

  我国湖南、贵州、广西等地区湿度大,存在冰冻现象,测风塔一方面有倒塔风险,另一方面因传感器附冰而影响风速数据的测试精度,造成测量数据缺失或数据质量降低的问题,利用激光雷达补充测量可有效解决因冰冻导致的数据测量问题,为机组配置提供可靠气象条件数据输入。

  随着近年来风电机组日渐大型化,测风塔高度已难以满足现有机组轮毂高度要求。激光雷达可满足40m~300m高度测量,利用激光雷达测量风廓线,可测量风机扫风面从下叶尖到上叶尖的实际风廓线。

  以江苏某平地项目为例,测风塔9个月测风数据20m~90m风切变指数为0.3,根据一般项目经验,该地区属于大切变地区,适宜高塔筒机型配置。但周边无实测数据支持、测风塔测风时间不足完整年,高层风切变的真实可靠性会直接影响客户投资决策。金风科技推荐使用雷达测风,获得两个月有效数据后分析得到其高层90m~150m风切变值0.35,为高塔架的配置提供可靠数据输入,项目整体收益率提升5.3%,为客户投资提供有力保障。

  目前,海上风电场前期测风仍主要采用海上测风塔方式。海上测风塔具有造价成本高、维护成本高、测量限制因素多(塔影效应、测量高度、传感器数量)等问题。而激光雷达的便携性,则为上述问题提供了一种新的解决方案。

  需要注意的是,考虑到雷达测风大小风月和时间一般不足一年的情况,及不同型号设备的环境适应性问题,复杂山地雷达设备的应用现在仍处于辅助测风阶段,雷达测风在复杂地形情况下的不确定度有待进一步细化研究。

  为此,金风科技在2017年建立一座复杂山地标准观测场,该场安装多台来自国内外雷达厂家的测风仪器,评估激光雷达在复杂地形条件下的不确定度,并对激光雷达的复杂地形数据修正方法进行评测,为我国复杂山地风电场开发提供最直接客观的风资源评估结果。目前,观测场已收集近2个月的观测数据,后期金风科技将陆续分享该场的数值模拟计算与风资源分析研究成果。

  随着国内机组日趋大型化,轮毂高度越来越高,传统测风塔高层风探测成本也“水涨船高”,在复杂地形建立测风塔的维护成本也在不断增加。而激光雷达测风鉴于其测量高度大、移动灵活、工期短、可靠性高的优势,日渐受到行业关注,同时,激光雷达成本也在不断降低。假定每台激光雷达价格在30万~50万元之间,激光雷达寿命约6~10年,平时的人工和雷达保养维修约3万元/年。粗略算一笔账,一台激光雷达每年的使用费用不足约10万元,远远低于在复杂山地立一座测风塔成本(35万元),加之测风塔设备维护和重复使用等方面存在不足,这些都使得激光雷达和测风塔测风拥有同等地位将成为可能。

  未来,金风科技将持续关注新型技术在风电行业的引进及推广使用,提高风电场建设和评估的效率及可靠性,面对风云变幻的大自然,为风电场带来更可靠的数据输入。

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