تطبيقات Wind LiDAR لصناعة الرياح

مع تطبيق وأبحاث ليدار قياس الرياح في سيناريوهات متعددة في صناعة طاقة الرياح لسنوات عديدة ، لم يعد منتجًا غير مألوف لصناعة طاقة الرياح. سيختار المهندسون ذوو الصلة بطاقة الرياح ليدار قياس الرياح كأداة مهمة لقياس الرياح أثناء عملهم. بفضل الجهود المتواصلة لمصنعي ليدار لقياس الرياح ومصنعي المعدات الأصلية لتوربينات الرياح وأصحاب طاقة الرياح ، تم تخفيض سعر ليدار لقياس الرياح بشكل كبير مقارنة بالسنوات القليلة الماضية ، مما أدى أيضًا إلى زيادة كبيرة في القدرة السوقية لطاقة الرياح قياس ليدار. وفقًا لإحصاءات غير مكتملة ، في عام 2020 ، قدمت صناعة طاقة الرياح المحلية أكثر من 150 ليدارًا أرضيًا لقياس الرياح وما يقرب من 1000 ليدار لقياس الرياح مثبتة بالكنس. قبل خمس سنوات ، كانت الأرقام المقابلة أقل من 10 وحدات وأقل من 5 وحدات. أدى نمو السعة السوقية أيضًا إلى تحسين السلسلة الصناعية لليدار لقياس الرياح وإمكانات تطوير المنتج لمصنعي الليدار. ستستمر هذه التغييرات في تغذية السوق ، وسيتم تخفيض سعر ليدار لقياس الرياح في المستقبل ، وهو ما سيشكل اتجاهًا لليدار الريحي الذي يساهم بشكل كبير في هدف "صفر كربون".

تطبيق Wind LiDARs في مراحل مختلفة من مشروع الرياح

	التنقيب عن المشروع	التصميم والتقييم	عملية	مزرعة الرياح القديمة التحديثية / إعادة البيع
تقييم موارد الرياح	تقييم الاستثمار	تحديد المواقع الصغيرة الاختبار التكميلي لمناطق الخطر		الاختبار التكميلي لمناطق الخطر تقييم الاستثمار
تقييم أداء توربينات الرياح			تحليل ياو تصحيح NTF التحقق من صحة منحنى القوة دراسة الحمل / التقييم توقع طاقة الرياح	التحقق من صحة منحنى القوة التحكم في الانعراج الثابت
التحكم في الحمل والتحسين		اختيار توربينات الرياح تحسين تصميم الأبراج والأساسات	تمديد حياة توربينات الرياح مراقبة الاستيقاظ التحكم الديناميكي في الانحراف السيطرة على المجموعة الميدانية	تمديد طول النصل توسعة مزرعة الرياح تصحيح انحراف الانعراج

في الوقت الحاضر ، هناك طريقتان تقنيتان رئيسيتان لقياس الرياح في السوق ، وهما الكشف المتماسك النبضي والكشف المتماسك المستمر. تتضمن نماذج الطلبات ليدار قياس الرياح الأرضية ، وليدار قياس الرياح المُثبت بالكنس ، و lidar المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد. تناقش هذه الورقة بشكل أساسي تطبيق الكشف المترابط النبضي في صناعة طاقة الرياح. مبدأ القياس لرياح الكشف النبضي المتماسك Lidar هو كما يلي: يولد الليزر إشارة ضوئية وينقلها إلى الهواء ليتم قياسها من خلال الهوائي البصري وآلية المسح ، ويتفاعل مع جزيئات الهباء الجوي الموجودة فيه لتوليد إشارة مبعثرة تحتوي على معلومات السرعة. يمكن أن يُعرف من مبدأ دوبلر أن إزاحة تردد دوبلر fd لإشارة الصدى يتناسب مع سرعة حركة جسيمات الهباء الجوي (أي سرعة الرياح) ، وبالتالي فإن الإشارة المتناثرة المرتدة التي يستقبلها الهوائي البصري تمر عبر المنطقة المحلية مذبذب يولد بواسطة ألياف الليزر في النظام. يمكن معالجة تردد الضرب البصري وإزالة التشكيل الرقمي للحصول على سرعة الرياح الشعاعية. تتحكم آلية المسح في اتجاه انبعاث الليزر وتردد الانبعاث وعدد الحزم الدورية ، ثم تبني نموذجًا للزمان والمكان ، يتم بموجبه تصنيع سرعة الرياح الشعاعية في الفترة مع سرعة الرياح المستهدفة. على سبيل المثال ، يتبنى ليدار الرياح الأرضي Molas B300 طريقة المسح VAD للحصول على سرعة الرياح المتجهة للفضاء من خلال 4 أشعة ، ثم الحصول على سرعة الرياح الأفقية واتجاه الرياح وسرعة الرياح الرأسية.

تطبيقات الرياح الأرضية LiDARs

ليدار قياس الرياح الأرضي هو أول نموذج تطبيق في صناعة طاقة الرياح. لقد حل ظهوره محل جزء من السوق لأبراج قياس الرياح وعوض عن العمل الذي لا يمكن لبعض أبراج قياس الرياح إكماله.

بالمقارنة مع أبراج الرياح ، تتمتع Wind Lidar بالمزايا التالية:

#1 طويل المدى

يمكن أن يصل قياسها إلى 300 متر ، والتي يمكن أن تغطي كامل دوار توربينات الرياح

#2 النشر المرن

سهل التركيب ويمكن استخدامه بشكل متكرر

#3 الإعداد السريع

يمكن الإعداد في نفس اليوم ، والبدء في الحصول على بيانات الرياح في نفس الوقت.

#4 صديق للتنمية

استخدام أقل للأرض ، ويمكن قبوله بسهولة من قبل الحكومة المحلية والسلطات والسكان

#5 مخاطر سلامة منخفضة

أقل بكثير من أعمال البناء ، لا العمل في مخاطر عالية

#6 متكيف مع البيئة

يمكن أن تعمل بين -40 ℃ و 50 ، وتحت الثلج أو الطقس المتجمد

مع وضع المعيار الدولي لليدار لقياس الرياح الأرضية (IEC61400-12-1) ، وإصدار الشهادات والاختبار للمنظمات الموثوقة التابعة لجهات خارجية ، وعدد كبير من التطبيقات والأبحاث في صناعة طاقة الرياح ، ودقة قياسها تم التعرف عليه على نطاق واسع في الصناعة ، ويستخدمه المزيد والمزيد من مصنعي المعدات الأصلية ومنظمات الجهات الخارجية والمالكين في جميع مراحل إنشاء مزارع الرياح. تشمل التطبيقات الرئيسية: تقييم موارد الرياح ، واختبار منحنى الطاقة ، وتنبؤ طاقة الرياح ، واختبار الحمل ، وما إلى ذلك.

1) تقييم موارد الرياح

في مرحلة اختيار الموقع الكلي لمزرعة الرياح ، يمكن أن يقرر استخدام ليدار قياس الرياح لقياس الرياح على المدى القصير بسرعة ما إذا كنت ستستمر في استثمار المشروع ، مما يوفر الوقت والتكلفة ويقلل من مخاطر المشروع بأكثر الوسائل اقتصادا.

في مرحلة تحديد الموقع الدقيق ، يمكن أن يؤدي استخدام قياس الرياح قصير المدى ليدار لقياس الرياح جنبًا إلى جنب مع بيانات برج الرياح إلى محاكاة موارد الرياح لمزرعة الرياح بأكملها بشكل أكثر دقة ، وخاصة موارد الرياح في موقع توربينات الرياح ، والتي يمكن تجنبها بشكل فعال مخاطر الاستثمار لوحدة واحدة ، وحساب دخل توليد الطاقة بدقة وضمان خصائص السلامة للوحدة.

مع التطور السريع لطاقة الرياح البحرية ، أصبح تقييم موارد الرياح البحرية حاجة ملحة في الصناعة ، في حين أن برج الرياح البحري التقليدي له عيوب التكلفة الباهظة ، وإجراءات الموافقة المعقدة ، وفترة البناء الطويلة ، إلخ. الخيار الأول لقياس الرياح البحرية. يختلف عن قياس الرياح البرية ، يجب أن يكون ليدار في قياس رياح البحر حامل مادي مقابل ، والحاملات الحالية عبارة عن منصة ثابتة وشكلان للعوامة ، حيث تشير المنصة إلى الناقل الثابت الحالي مثل منصة التنقيب عن النفط ، المنارة ، التعزيز محطة ، وما إلى ذلك ، استثمار قياس الرياح في المنصة البحرية صغير ولكن لا يمكن البحث عن موارد المنصة ، فقد أصبحت العوامة كناقل (Flidar) هي الشكل السائد لقياس الرياح البحرية الحالية. يقوم IEAWind TCP TASK32 بتطوير معايير متعلقة بـ Flidar ، وسيساعد إدخال المعايير ذات الصلة على استخدام مواصفات Flidar وتطوير التقنيات ذات الصلة. كمورد مهم نسبيًا للبلد ، فإن سلامة وموثوقية بياناتها مهمة بشكل خاص ، وسيصبح توطين قياس الرياح الليدار الذي يحمله Flidar اتجاهًا رئيسيًا للتنمية.

2) اختبار منحنى القوة

وفقًا لبنود IEC61400-12 ، معيار التحقق من منحنى طاقة الرياح الصادر عن اللجنة الكهروتقنية الدولية ، يجب أن يتم قياس منحنى طاقة توربينات الرياح بواسطة برج الرياح ، ويجب أن يتم قياس المسافة بين موقعه ومجموعة المولدات 2 إلى 4 أضعاف قطر توربينات الرياح ، ويجب وضع برج قياس الرياح في قطاع القياس المختار. ومع ذلك ، بعد الانتهاء من بناء مزرعة الرياح ، يصعب تلبية موقع برج الرياح الأصلي المبني بمتطلبات اختبار منحنى الطاقة ، وسيكون هناك العديد من القيود على برج الرياح الجديد ، بما في ذلك التضاريس ، وحيازة الأرض ، ودورة البناء ، ، وما إلى ذلك ، مما يجعل تنفيذ اختبار منحنى الطاقة أكثر صعوبة. في مراجعة عام 2017 لمعيار IEC61400-12 ، تم تضمين ليدار قياس الرياح في قائمة المعدات التي يمكن استخدامها لاختبار منحنى الطاقة ، بسبب الاستخدام المرن لليدار قياس الرياح وخصائص أخرى لاختبار منحنى الطاقة في سهل تنفيذ المشروع ، تم DNVGL، Windguard والسلطات الفنية الأخرى لتطبيقات الاختبار العملية.

3) توقعات طاقة الرياح

من أجل ضمان التشغيل الآمن والمستقر لنظام الطاقة ، وتنفيذ السياسة الوطنية للطاقة المتجددة ، وتوحيد إدارة الإرسال والتشغيل المتصلين بشبكة طاقة الرياح ، يجب أن تتمتع جميع مزارع الرياح المتصلة بالشبكة بالقدرة على التنبؤ بطاقة الرياح ، والقيام بالتنبؤ والتنبؤ بطاقة الرياح حسب الحاجة. تتمثل طريقة قياس الرياح التقليدية لتنبؤ طاقة الرياح في بناء برج قياس الرياح على بعد 5 كيلومترات من مزرعة الرياح ، ولا يتأثر بآثار مزرعة الرياح والرياح السائدة في مزرعة الرياح. نظرًا لمشكلة تجميد برج الرياح في الشتاء ، فهو عرضة لحوادث الانهيار ، وهناك مخاطر خطيرة تتعلق بالسلامة ، ومن السهل إجراء تقييم للشبكة بعد انقطاع البيانات. يتضمن إنشاء أبراج الرياح أيضًا إجراءات معقدة للحصول على الأراضي ، وفترة بناء طويلة ، وتكلفة عالية ، وصعوبة في الصيانة. مع ارتفاع قياس الرياح الكبير ، والحجم الصغير ، وفترة البناء القصيرة ، والموثوقية العالية ، وعدم وجود خطر الانهيار ، أظهر lidar تدريجياً مميزاته في أنظمة التنبؤ بالطاقة. بناءً على خصائص الليدار الصغيرة والآمنة ، إذا سمحت الظروف ، يمكن للمالك اختيار نشر الليدار في محطة التعزيز ، سواء كانت إجراءات بناء أو صيانة ، مقارنة ببرج الرياح له مزايا واضحة ، خاصة محطة ارتفاع البحر ، استخدام ليدار بدلا من برج الرياح الفوائد الاقتصادية أكثر وضوحا.

تطبيقات Nacelle Mounted Wind LiDARs

يختلف عن الدرجة العالية من التداخل بين وظائف قياس الرياح الأرضي ليدار وبرج الرياح ، فإن ليدار قياس الرياح هو تطبيق جديد في صناعة طاقة الرياح ، والذي يمكنه قياس سرعة الرياح أمام التوربينات الريحية الشفرة دون أن تتأثر باضطراب الشفرة ، وتشمل التطبيقات الرئيسية: التحكم في التغذية الأمامية ، وتصحيح الانحراف ، واختبار منحنى الطاقة.

1) التحكم في التغذية

التحكم في التغذية الأمامية هو التطبيق الرئيسي للكنلة ليدار. في الوقت الحاضر ، قامت أكثر من 1500 وحدة حول العالم بتوصيل ليدار الرياح بنظام التحكم في توربينات الرياح. وأكثر من 90% من أغطية ليدار الرياح مزودة بما لا يقل عن 4 أشعة نظرًا لحقيقة أن المزيد من الحزم يمكنها الحصول على معلومات تدفق واردة أكثر ثراءً أمام الشفرة ، ثم محاكاة سرعة الرياح لسطح الدوار بالكامل.

يتيح التحكم في التغذية الأمامية المستند إلى ليدار الرياح:

(1) الانعراج الذكي لزيادة توليد الطاقة للوحدة بأكثر من 2%.

(2) تقليل حمل التعب وتقليل تقلبات سرعة الدوار وتقلبات الطاقة

(3) تحقيق التحكم النهائي في حالة الرياح وتقليل الحمل المحدد

(4) تحقيق التحكم المعقد في حالة الرياح وتقليل مخاطر تشغيل توربينات الرياح

(5) التحكم التكيفي في ظروف الرياح ، والنشر المرن لاستراتيجيات التحكم وفقًا لظروف الرياح

(6) التحكم في شبكة التوربينات المتعددة لمزارع الرياح يقلل من تأثير wakeage على مزرعة الرياح بأكملها ويزيد من توليد الطاقة لمزرعة الرياح بأكملها.

متأثرًا بالعديد من العوامل ، فإن شعبية ليدار الرياح في توربينات الرياح بعيدة كل البعد عن الوصول إلى التوقعات ، في السنوات الأخيرة ، أبدت جميع مصنعي المعدات الأصلية تقريبًا لتوربينات الرياح اهتمامًا قويًا بتكنولوجيا التحكم في التغذية الأمامية استنادًا إلى nacelle wind lidar وبدأت الاختبارات المقابلة و الدراسات ، مع تعميق البحث والتحكم في تكاليف ليدار الرياح ، سيتم تحسين سوق ليدار الرياح بشكل كبير وحتى تصبح المكونات القياسية لتوربينات الرياح.

2) تصحيح الانحراف

يمكن أن يؤدي استخدام ليدار الرياح إلى وضعين للانعراج ، الوضع الأول هو ليدار الرياح المذكور أعلاه في نظام التحكم الرئيسي لتوربينات الرياح ، لتحقيق التحكم في الانعراج في الوقت الفعلي ؛ والثاني هو تثبيت ليدار الرياح في التوربينات الهوائية لفترة من الوقت (في الغالب حوالي شهر) لجمع معلومات الانحراف بين اتجاه التوربين واتجاه الرياح ، وتفكيك ليدار الرياح بعد القياس ، وحساب الانحراف لتوجيه الوحدة من خلال بيانات ليدار الرياح ، وتصحيح قيمة الانحراف في نظام التحكم في توربينات الرياح ، وذلك لتحقيق الغرض من تصحيح الانحراف. يحتاج الوضع 1 إلى التعاون مع استراتيجية التحكم في توربينات الرياح لتحقيق أهداف الانعراج ، بينما لا يحتاج رادار nacelle في الوضع 2 إلى الاتصال بنظام التحكم الرئيسي ، وهو أسهل في التنفيذ ، لذلك أصبح الوضع 2 الخيار الأول لـ العديد من العملاء.

3) اختبار منحنى القوة

يقترح المعيار IEC61400-12 استخدام قطر المكره من 2 إلى 4 أضعاف سرعة الرياح لحساب منحنى الطاقة ، ونطاق ليدار الرياح المشترك للتحكم في التغذية الأمامية أقل من 200 متر ، ولكي تكون قادرًا على قياس كامل سرعة الرياح السطحية للدوار ، وزاوية توتر الشعاع العلوية والسفلية كبيرة جدًا ، حتى إذا كان قطر الدوار 2-4 أضعاف سرعة الرياح ، فإن سرعة الرياح الاصطناعية وسرعة الرياح الحقيقية سيكون لها انحراف كبير. لذلك ، كان مطلوبًا وجود ليدار هوائي مناسب لاختبار منحنى الطاقة. تم تحسين Molas NL400 الذي قدمته Movelaser على غطاء الرياح الأصلي ، وتم ترقية نطاق قياسه إلى 400 متر ، والذي يمكنه بسهولة قياس سرعة الرياح بقطر الوحدة من 2 إلى 4 أضعاف قطر الدوار. تم تغيير زوايا التوتر العلوية والسفلية إلى 10 درجات لضمان دقة سرعة الرياح على مسافات طويلة. يجري إعداد المعيار الحالي IEC61400-50-3 بشأن ليدار الرياح لاختبار منحنى الطاقة ومن المتوقع إصداره في عام 2022. تم الإعلان عن طريقة اختبار منحنى الطاقة القائمة على nacelle wind lidar ، والتي تمت كتابتها تحت رعاية DTU. .

بما أن رادار المقصورة مركب في الوحدة ويرافقه دوران التوربين ، مقارنة باستخدام برج الرياح أو الرادار الأرضي لاختبار منحنى الطاقة ، فإن قطاع البيانات المتاح لا يتأثر باتجاه الرياح ، و يمكن جمع بيانات سرعة الرياح لكل قسم من أقسام سرعة الرياح في وقت أقصر. بالنسبة للمناطق التي لا يمكن فيها نصب الأبراج أو الرادارات الأرضية أو تركيبها في المناطق الجبلية والبحار ، فإن مزايا استخدام الكنة ليدار لاختبار منحنى القدرة أكثر وضوحًا.