淺析激光測風雷達在風能中的應用現狀與前景

【摘

要】

在過去十多年中，隨著風能行業(yè)的不斷發(fā)展和激光測風雷達的技術進步，激光測風雷達在風能領域得到了普遍認可，廣泛應用于風速測量的各種場景，在陸地和海上都有大量的應用案例。產品迭代與技術創(chuàng)新極大推動了激光測風雷達的發(fā)展和應用，使得激光測風雷達從傳統(tǒng)的氣象和環(huán)保領域走入風能行業(yè)，將風速測量和風資源評估推向更高的高度和更廣的維度?！娟P鍵詞】

激光測風雷達

風能

風資源評估

功率曲線1.引言隨著中國風能產業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，中國已投產風電場已經位居世界第一位，風能已經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。激光測風雷達作為一種近年來興起的、新穎的測風手段，在風能領域有廣泛應用，具有下列主要優(yōu)點：（1）激光測風雷達可以準確測量整個葉輪高度的風速。以前，風機輪轂的高度通常在80米左右，而現在的輪轂高度已經超過120米，尤其是在平原地區(qū)等風切變較大的區(qū)域。建造如此高的測風塔，其成本已經非常高昂，后期的維護工作量更是非常大，而且更容易產生危險因素。面對高輪轂高度的測風需求，激光測風雷達可以高效、完美地解決這一問題。圖1：近十多年來，風機的輪轂高度、葉輪直徑、額定功率都在不斷地快速提升和增加（2）激光測風雷達可顯著降低風資源評估的誤差。常規(guī)的項目評估，通常采用測風塔進行風資源測量，然后利用風資源評估的商業(yè)軟件推算風電場各個機位的發(fā)電量，但是該方法具有較大的誤差。面對不同區(qū)域風資源差異這一問題，利用激光測風雷達對關鍵區(qū)域進行補充測量，可以顯著降低項目的投資風險，優(yōu)化風機排布方案，提高項目收益率。同時，現在平原地區(qū)的項目大多風切變較大，測風塔的測量高度通常遠低于風機最終采用的輪轂高度，如果僅采用測風塔推算更高高度的風速，會進入較大評估誤差。激光測風雷達可以測量高度300米內的風速和風參數，降低測風塔在風速垂直外推方面的風險，確定合理的風機輪轂高度，優(yōu)化項目方案。國際可再生能源服務與創(chuàng)新公司Ecofys（歐洲成長型企業(yè)500強Econcern集團旗下子公司）認為，風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。其項目評估結果表明：1、僅使用測風塔進行風資源評估時，整體誤差為14%；2、使用激光測風雷達進行多點位切換測量時，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對激光測風雷達和測風塔不確定性的分析（3）激光測風雷達可以測量更多的風數據，更好地評估和優(yōu)化風機性能。激光測風雷達，可測量更多高度層、更多類型的風參數數據，對于風機功率曲線的測量是非常有價值的數據，可以繪制更為精確的功率曲線，來評估和優(yōu)化風機性能。同時，激光測風雷達的1Hz秒級數據，會提供風速場更高時間分辨率的信息，對于研究風資源特性、風機載荷、風機性能都是必要的輸入數據。（4）激光測風雷達可以增加項目融資機會。使用激光測風雷達，可以獲得更多更為信賴的數據，針對前期遺留的風資源問題進行針對性測量，同時可以節(jié)約設備部署時間和資金，提高投資者信心，提高項目的融資機會。（5）激光測風雷達可以克服測風塔建造和安裝的問題。陸上測風塔的建設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)。海上測風塔的建造成本高昂，使用激光測風雷達可以顯著降低成本，同時規(guī)避海上惡劣環(huán)境下施工和運維的安全風險。圖3：激光測風雷達的野外安裝照片2.激光測風雷達簡介激光測風雷達通?？梢苑譃橄旅嫠姆N類型：垂直式激光測風雷達、機艙式激光測風雷達、掃描式激光測風雷達、控制式激光測風雷達，四種產品的基本參數如下表所示。表1：不同類型激光測風雷達的參數表2.1垂直式激光測風雷達垂直式激光測風雷達，可測量垂直上空290米高度內的風速風向，可準確獲取風速風向數據，同時測量12個高度層。更準確、可靠的風數據，可以確保項目成功融資、降低投資成本和不確定性。2.2機艙式激光測風雷達機艙式激光測風雷達，通常安裝在風機機艙上，至少測量風機前方2.5D距離處的風速，有效量程通常要到達400米以上。機艙式激光測風雷達現在已經成為一種不可或缺的、高效的風機性能診斷工具，可用于風機評估、性能優(yōu)化、故障原因研究。長距離式的機艙激光測風雷達具有長達700米的測量距離，可滿足任何現有和未來風力風機的功率曲線測試要求的激光測風雷達，尤其適用于海上大機組的功率曲線測試。圖4：機艙式激光測風雷達的安裝在風機機艙上，對風機功率曲線進行測量的照片2.3掃描式激光測風雷達掃描式激光測風雷達，一般安裝在地面上，對空間風場進行測量，可以設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，功能非常強大，用戶可以自行設置多種測量模式，或將已有模式按照測量目的進行組合，實現較為復雜的測量效果。掃描式激光測風雷達可以掃描一個平面上的風速分布，這種獨特、靈活的測量方式，常常可以克服了其他測風手段的不足，帶來意想不到和高附加值的測量結果。掃描式激光測風雷達常規(guī)的應用方向，是用于風機的尾流測量、風資源測量、風機功率曲線。下圖4是掃描雷達安裝在海上風電場，測量整場風機尾流。右圖的結果圖清晰地呈現每臺風機地尾流分布，有利于研究風機尾流對于電量的衰減，從而提高風機排布方案，提高項目的收益水平。圖5：掃描激光測風雷達在海上風電場的照片（左圖）與風速結果圖（右圖）2.4控制式激光測風雷達控制式激光測風雷達，是激光測風雷達在風能領域的最新的前沿應用，主要通過實時測量風機前方200米內的風況，預測未來幾秒后風機處的風況，進而優(yōu)化風機控制策略，來達到降低風機載荷的目的。圖6：控制式激光測風雷達的儀器配置與測量數據分布3.激光測風雷達在風能各個階段的作用激光測風雷達在風電項目的全生命周期的各個階段，都有非常有價值的應用，其典型的應用場景總結如下表。表2：激光測風雷達在風電全生命周期各個階段的應用場景4.結論在過去十多年中，隨著風能行業(yè)的不斷發(fā)展和激光測風雷達的技術進步，激光測風雷達在風能領域得到了行業(yè)專家的普遍認可，廣泛應用于風速測量的各種場景，在陸地和海上的風電項目都有大量的應用案例。在過去，風電行業(yè)主要依賴傳統(tǒng)的測風塔進行風速測量和風資源的評估，現在激光測風雷達不僅被行業(yè)普遍接受，而且已經成為必不可少的測風技術和手段。激光測風雷達產品，能夠提供準確