激光雷達(dá)在風(fēng)能中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景
關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)、風(fēng)能、風(fēng)資源評(píng)估、功率曲線
引言
隨著中國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，中國(guó)已投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)位居世界第一位，截止2019年底，中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)到達(dá)210.05GW[1]，位于世界第一位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第二位美國(guó)105.6GW的裝機(jī)容量[2]。風(fēng)能已經(jīng)成為中國(guó)的第三大能源來(lái)源，對(duì)中國(guó)的能源安全、綠色發(fā)展意義重大。
激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)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(guò)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(cè)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(xiǎn)因素。面對(duì)高輪轂高度的測(cè)風(fēng)需求，激光雷達(dá)可以高效、完美地解決這一問(wèn)題。
圖2 Ecofys對(duì)激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔不確定性的分析（Ecofys為歐洲成長(zhǎng)型企業(yè)500強(qiáng)Econcern集團(tuán)旗下子公司，圖表選自Ecofys報(bào)告，并譯成中文。）[4]
激光雷達(dá)，可以克服測(cè)風(fēng)塔建造和安裝的問(wèn)題。陸上測(cè)風(fēng)塔的建設(shè)需要占用一定范圍的土地，有時(shí)征地問(wèn)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(cè)風(fēng)塔的建造成本高昂，使用激光雷達(dá)可以顯著降低成本，同時(shí)規(guī)避海上惡劣環(huán)境下施工和運(yùn)維的安全風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 WindCube安裝在野外的照片
激光雷達(dá)簡(jiǎn)介
WindCube系列激光雷達(dá)，可以分為以下四個(gè)產(chǎn)品線：垂直式激光雷達(dá)、機(jī)艙式激光雷達(dá)、掃描式激光雷達(dá)、控制式激光雷達(dá)，四種產(chǎn)品的基本參數(shù)如下表所示。
| 類型 | 垂直式 | 機(jī)艙式 | 掃描式 | 控制式 |
| 量程 | 40-290m | 50-700m | 14km | 50-200m |
| 頻率 | 1Hz | 1Hz | 10Hz |
4Hz |
| 最小時(shí)間分辨率 | 1秒 | 1秒 | 0.1秒 | 0.25秒 |
| 數(shù)據(jù)層數(shù) | 12個(gè) | 10個(gè) | 最大320個(gè) | 10個(gè) |
| 風(fēng)速精度 | 0.1m/s | 0.1m/s | 0.1m/s | 0.1m/s |
垂直式激光雷達(dá)，可測(cè)量垂直上空290米高度內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向。WindCube垂直式激光雷達(dá)，在全球市場(chǎng)同類產(chǎn)品的占有率第一，可準(zhǔn)確獲取風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)量12個(gè)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。
機(jī)艙式激光雷達(dá)，通常安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)艙上，至少測(cè)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(píng)估、性能優(yōu)化、故障原因研究。
2020年最新推出的WindCube Nacelle機(jī)艙式激光雷達(dá)，具有長(zhǎng)達(dá)700米的測(cè)量距離，是現(xiàn)在市場(chǎng)上唯一能達(dá)到如此長(zhǎng)距離，并滿足任何現(xiàn)有和未來(lái)風(fēng)力風(fēng)機(jī)的功率曲線測(cè)試要求的激光雷達(dá)，尤其適用于海上大機(jī)組的功率曲線測(cè)試。
掃描式激光雷達(dá)，一般安裝在地面上，對(duì)空間風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，可以設(shè)置多種模式的測(cè)量模式：固定高度角PPI模式、固定方位角RHI模式、風(fēng)廓線測(cè)量模式DBS模式、單光束測(cè)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(cè)量模式，或?qū)⒁延心Ｊ桨凑諟y(cè)量目的進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的測(cè)量效果。掃描式激光雷達(dá)可以掃描一個(gè)平面上的風(fēng)速分布，這種獨(dú)特、靈活的測(cè)量方式，常?？梢钥朔似渌麥y(cè)風(fēng)手段的不足，帶來(lái)意想不到和高附加值的測(cè)量結(jié)果。
掃描式激光雷達(dá)常規(guī)的應(yīng)用方向，是用于風(fēng)機(jī)的尾流測(cè)量、風(fēng)資源測(cè)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(chǎng)，測(cè)量整場(chǎng)風(fēng)機(jī)尾流。右圖的結(jié)果圖清晰地呈現(xiàn)每臺(tái)風(fēng)機(jī)地尾流分布，有利于研究風(fēng)機(jī)尾流對(duì)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4 掃描激光雷達(dá)在海上風(fēng)電場(chǎng)的照片（上圖）與風(fēng)速結(jié)果圖（下圖）
控制式激光雷達(dá)，是激光雷達(dá)在風(fēng)能領(lǐng)域的最新的前沿應(yīng)用，主要通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)前方200米內(nèi)的風(fēng)況，預(yù)測(cè)未來(lái)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(lái)達(dá)到降低風(fēng)機(jī)載荷的目的。
圖5 控制式激光雷達(dá)的儀器配置與測(cè)量數(shù)據(jù)分布
激光雷達(dá)在風(fēng)能各個(gè)階段的作用
激光雷達(dá)在風(fēng)電項(xiàng)目的全生命周期的各個(gè)階段，都有非常有價(jià)值的應(yīng)用，其典型的應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)如下表。
