แอพพลิเคชั่นของ Wind LiDAR สำหรับอุตสาหกรรมลม

ด้วยการประยุกต์ใช้และการวิจัยของ Lidar การวัดลมในหลายสถานการณ์ในอุตสาหกรรมพลังงานลมเป็นเวลาหลายปี จึงไม่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่คุ้นเคยสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานลมอีกต่อไป วิศวกรที่เกี่ยวข้องกับพลังงานลมจะเลือกเครื่องวัดลมเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวัดลมเมื่อทำงาน ด้วยความพยายามอย่างไม่ลดละของผู้ผลิต lidar ในการตรวจวัดลม ผู้ผลิตกังหันลม OEM และเจ้าของพลังงานลม ราคาของ lidar สำหรับการตรวจวัดลมจึงลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งทำให้ความสามารถในการผลิตลมในตลาดเพิ่มขึ้นอย่างมาก ฝาวัด. ตามสถิติที่ไม่สมบูรณ์ ในปี 2020 อุตสาหกรรมพลังงานลมในประเทศได้ส่งมอบฝาปิดวัดลมบนพื้นดินมากกว่า 150 ตัว และฝาปิดวัดลมแบบติดบนหน้าปัดเกือบ 1,000 ตัว เมื่อห้าปีที่แล้ว ตัวเลขที่เกี่ยวข้องกันนั้นน้อยกว่า 10 หน่วย และน้อยกว่า 5 หน่วย การเติบโตของกำลังการผลิตในตลาดได้ปรับห่วงโซ่อุตสาหกรรมของลิดาร์วัดลมและความสามารถในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ของผู้ผลิตลิดาร์ให้เหมาะสม การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะยังคงป้อนตลาด และราคาของ lidar การวัดลมจะลดลงอีกในอนาคต ซึ่งจะสร้างแนวโน้มสำหรับ Wind Lidar ที่มีส่วนอย่างมากต่อเป้าหมาย "Zero Carbon"

การประยุกต์ใช้ Wind LiDARs ในขั้นตอนโครงการลมที่แตกต่างกัน

	การสำรวจโครงการ	การออกแบบและการประเมิน	การดำเนินการ	Old Wind Farm Retrofit / ขายต่อ
การประเมินทรัพยากรลม	การประเมินความสามารถในการลงทุน	ไมโครไซต์ การทดสอบเพิ่มเติมของพื้นที่เสี่ยง		การทดสอบเพิ่มเติมของพื้นที่เสี่ยง การประเมินความสามารถในการลงทุน
การประเมินประสิทธิภาพของกังหันลม			การวิเคราะห์หันเห แก้ไข NTF การตรวจสอบเส้นโค้งพลังงาน โหลดการศึกษา/ประเมิน ทำนายพลังงานลม	การตรวจสอบเส้นโค้งพลังงาน การควบคุมการหันเหแบบสถิต
การควบคุมโหลดและการเพิ่มประสิทธิภาพ		การเลือกกังหันลม การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบหอคอยและฐานราก	การยืดอายุกังหันลม การตรวจสอบการปลุก การควบคุมการหันเหแบบไดนามิก การควบคุมกลุ่มภาคสนาม	ส่วนต่อขยายความยาวใบมีด การขยายฟาร์มกังหันลม การแก้ไขแนวการหันเห

ในปัจจุบัน มีสองเส้นทางทางเทคนิคหลักสำหรับ lidar การวัดลมในตลาด ได้แก่ การตรวจจับพัลซิ่งที่สอดคล้องกันและการตรวจจับที่เชื่อมโยงกันอย่างต่อเนื่อง แบบฟอร์มการสมัครประกอบด้วย lidar สำหรับการวัดลมบนพื้นดิน, lidar การวัดลมที่ติดตั้งบน nacelle และ lidar การสแกน 3 มิติ บทความนี้กล่าวถึงการประยุกต์ใช้การตรวจจับแบบพัลซิ่งที่สอดคล้องกันในอุตสาหกรรมพลังงานลมเป็นหลัก หลักการวัดของลมตรวจจับแบบพัลซิ่งที่เชื่อมโยงกัน Lidar มีดังนี้: เลเซอร์สร้างสัญญาณไฟและส่งไปยังอากาศเพื่อวัดผ่านเสาอากาศออปติคัลและกลไกการสแกน และโต้ตอบกับอนุภาคละอองลอยในนั้นเพื่อสร้างสัญญาณสะท้อนกลับที่มี ข้อมูลความเร็ว สามารถทราบได้จากหลักการ Doppler ว่าความถี่ Doppler shift fd ของสัญญาณสะท้อนเป็นสัดส่วนกับความเร็วเคลื่อนที่ของอนุภาคละอองลอย (นั่นคือ ความเร็วลม) ดังนั้นสัญญาณสะท้อนกลับที่ได้รับจากเสาอากาศแบบออปติคัลจึงผ่านเข้าไปในพื้นที่ ออสซิลเลเตอร์ที่สร้างโดยไฟเบอร์เลเซอร์ในระบบ สามารถประมวลผลความถี่บีตออปติคัลและดีมอดูเลชันแบบดิจิทัลเพื่อให้ได้ความเร็วลมในแนวรัศมี กลไกการสแกนจะควบคุมทิศทางการปล่อยเลเซอร์ ความถี่การปล่อยและจำนวนลำแสงเป็นระยะ จากนั้นจึงสร้างแบบจำลองพื้นที่เวลา ซึ่งความเร็วลมในแนวรัศมีในช่วงเวลานั้นจะถูกสังเคราะห์เป็นความเร็วลมเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น กังหันลมบนพื้นดิน Molas B300 ใช้วิธีการสแกน VAD เพื่อให้ได้ความเร็วลมเวกเตอร์อวกาศผ่าน 4 ลำ จากนั้นจึงรับความเร็วลมในแนวนอน ทิศทางลม และความเร็วลมในแนวตั้ง

การใช้งานของ LiDARs ลมจากพื้นดิน

lidar การวัดลมภาคพื้นดินเป็นแบบฟอร์มแรกสุดในอุตสาหกรรมพลังงานลม การเกิดขึ้นได้เข้ามาแทนที่ส่วนหนึ่งของตลาดสำหรับหอวัดลม และสร้างขึ้นสำหรับงานที่หอวัดลมบางแห่งไม่สามารถทำได้

เมื่อเทียบกับหอลม Wind Lidar มีข้อดีดังต่อไปนี้:

#1 ระยะยาว

สามารถวัดได้ถึง 300m ซึ่งสามารถครอบคลุมทั้งใบพัดกังหันลม

#2 การปรับใช้ที่ยืดหยุ่น

ติดตั้งง่าย ใช้ซ้ำได้

#3 การตั้งค่าอย่างรวดเร็ว

ตั้งค่าได้ในวันเดียวกัน และเริ่มรับข้อมูลลมพร้อมกันได้

#4 เป็นมิตรกับการพัฒนา

ลดการใช้ที่ดินและได้รับการยอมรับจากหน่วยงานปกครองส่วนท้องถิ่น หน่วยงาน และผู้อยู่อาศัย

#5 ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยต่ำ

งานก่อสร้างน้อยกว่ามาก ไม่เสี่ยงสูง

#6 สภาพแวดล้อมที่ปรับตัวได้

สามารถทำงานได้ระหว่าง -40 ℃ ถึง 50 ℃ และภายใต้หิมะหรือสภาพอากาศหนาวเย็น

ด้วยการจัดตั้งมาตรฐานสากลสำหรับ lidar การวัดลมภาคพื้นดิน (IEC61400-12-1) การรับรองและการทดสอบขององค์กรที่มีอำนาจของบุคคลที่สาม และการใช้งานและการวิจัยจำนวนมากในอุตสาหกรรมพลังงานลม ความแม่นยำในการวัด ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม และ OEM องค์กรบุคคลที่สาม และเจ้าของใช้ OEM มากขึ้นเรื่อยๆ ในการก่อสร้างฟาร์มกังหันลมทุกขั้นตอน การใช้งานหลัก ได้แก่ การประเมินทรัพยากรลม การทดสอบเส้นโค้งกำลัง การคาดการณ์พลังงานลม การทดสอบโหลด ฯลฯ

1) การประเมินทรัพยากรลม

ในขั้นตอนการเลือกพื้นที่ขนาดใหญ่ของฟาร์มกังหันลม การใช้ lidar การวัดลมสำหรับการวัดลมระยะสั้นสามารถตัดสินใจได้อย่างรวดเร็วว่าจะดำเนินการลงทุนโครงการต่อไปหรือไม่ ประหยัดเวลาและค่าใช้จ่าย และลดความเสี่ยงของโครงการด้วยวิธีที่ประหยัดที่สุด

ในขั้นตอนไมโครไซต์ การใช้การวัดลมระยะสั้นของ lidar ร่วมกับข้อมูลหอกังหันลมสามารถจำลองทรัพยากรลมของฟาร์มกังหันลมทั้งหมดได้แม่นยำยิ่งขึ้น โดยเฉพาะแหล่งลมของไซต์กังหันลม ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความเสี่ยงในการลงทุนของหน่วยเดียว คำนวณรายได้การผลิตไฟฟ้าอย่างแม่นยำ และรับรองลักษณะความปลอดภัยของหน่วย

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของพลังงานลมนอกชายฝั่ง การประเมินทรัพยากรลมนอกชายฝั่งได้กลายเป็นความจำเป็นเร่งด่วนในอุตสาหกรรม ในขณะที่หอกังหันลมนอกชายฝั่งแบบดั้งเดิมมีข้อเสียของต้นทุนที่แพง ขั้นตอนการอนุมัติที่ซับซ้อน ระยะเวลาการก่อสร้างนาน ฯลฯ การวัดลม LiDAR ได้กลายเป็น ตัวเลือกแรกสำหรับการวัดลมนอกชายฝั่ง แตกต่างจากการวัดลมบนบก การวัด Lidar ในลมทะเลจำเป็นต้องมีพาหะทางกายภาพที่สอดคล้องกัน ผู้ให้บริการปัจจุบันเป็นแพลตฟอร์มคงที่และทุ่นสองรูปแบบ ซึ่งแพลตฟอร์มหมายถึงผู้ให้บริการคงที่ที่มีอยู่ เช่น แท่นขุดเจาะน้ำมัน ประภาคาร บูสต์ สถานี ฯลฯ การลงทุนวัดลมแพลตฟอร์มนอกชายฝั่งมีขนาดเล็ก แต่ไม่สามารถหาทรัพยากรแพลตฟอร์มทุ่นเป็นผู้ให้บริการ (Flidar) ได้กลายเป็นรูปแบบหลักของการวัดลมนอกชายฝั่งในปัจจุบัน IEAWind TCP TASK32 กำลังพัฒนามาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับ Flidar และการแนะนำมาตรฐานที่เกี่ยวข้องจะช่วยในการใช้ข้อกำหนดของ Flidar และการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง ในฐานะที่เป็นทรัพยากรที่ค่อนข้างสำคัญของประเทศ ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของข้อมูลจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ และการแปลค่า Lidar การวัดลมที่ดำเนินการโดย Flidar จะกลายเป็นแนวโน้มสำคัญของการพัฒนา

2) การทดสอบเส้นโค้งกำลัง

ตามข้อกำหนดของ IEC61400-12 มาตรฐานการตรวจสอบเส้นโค้งกำลังของกังหันลมที่ออกโดย International Electrotechnical Commission การวัดเส้นโค้งพลังงานกังหันลมต้องทำโดยหอกังหันลม และระยะห่างระหว่างตำแหน่งกับชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าควร มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของกังหันลม 2 ถึง 4 เท่า และหอวัดลมจะต้องอยู่ในภาคการวัดที่เลือก อย่างไรก็ตาม หลังจากเสร็จสิ้นการก่อสร้างฟาร์มกังหันลมแล้ว ตำแหน่งหอลมที่สร้างขึ้นดั้งเดิมนั้นยากต่อการทดสอบเส้นโค้งกำลัง และจะมีข้อจำกัดมากมายสำหรับหอลมใหม่ รวมถึงภูมิประเทศ การได้มาซึ่งที่ดิน วงจรการก่อสร้าง ราคา ฯลฯ ซึ่งทำให้การทดสอบเส้นโค้งกำลังดำเนินการยากขึ้น ในการแก้ไขมาตรฐาน IEC61400-12 ประจำปี 2560 นั้น Lidar การวัดลมจะรวมอยู่ในรายการอุปกรณ์ที่สามารถใช้สำหรับการทดสอบเส้นโค้งกำลัง เนื่องจากการใช้งานที่ยืดหยุ่นของ Lidar การวัดลมและคุณลักษณะอื่นๆ ของการทดสอบเส้นโค้งกำลังใน การดำเนินโครงการอย่างง่ายได้รับ DNVGL, Windguard และหน่วยงานด้านเทคนิคอื่นๆ สำหรับการใช้งานจริงในการทดสอบ

3) พยากรณ์พลังงานลม

เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของระบบไฟฟ้า ใช้นโยบายพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ และกำหนดมาตรฐานการจัดการการจ่ายพลังงานลมที่เชื่อมต่อกับกริดและการทำงาน ฟาร์มกังหันลมทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับกริดควรมีความสามารถในการคาดการณ์พลังงานลม และดำเนินการพยากรณ์และพยากรณ์พลังงานลมตามความจำเป็น วิธีการวัดลมแบบดั้งเดิมของการทำนายพลังงานลมคือการสร้างหอวัดลมภายในรัศมี 5 กม. จากฟาร์มกังหันลม โดยจะไม่ได้รับผลกระทบจากลมที่พัดมาจากฟาร์มกังหันลมและลมที่พัดมาจากฟาร์มกังหันลม เนื่องจากปัญหาที่หอกังหันลมค้างในฤดูหนาว จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดอุบัติเหตุถล่ม มีอันตรายด้านความปลอดภัยร้ายแรง และง่ายต่อการประเมินกริดหลังจากการหยุดชะงักของข้อมูล การก่อสร้างหอลมยังมีขั้นตอนการจัดหาที่ดินที่ซับซ้อน ระยะเวลาในการก่อสร้างนาน ค่าใช้จ่ายสูง และการบำรุงรักษาที่ยากลำบาก ด้วยความสูงในการวัดลมขนาดใหญ่ รอยเท้าขนาดเล็ก ระยะเวลาการก่อสร้างสั้น ความน่าเชื่อถือสูง และไม่มีความเสี่ยงจากการพังทลาย Lidar ได้ค่อยๆ แสดงให้เห็นถึงข้อดีของระบบทำนายกำลังไฟฟ้า ตามลักษณะของ lidar ขนาดเล็กและปลอดภัย หากเงื่อนไขอนุญาต เจ้าของสามารถเลือกที่จะปรับใช้ lidar ในสถานีเพิ่มกำลัง ไม่ว่าจะเป็นขั้นตอนการก่อสร้างหรือการบำรุงรักษา เมื่อเทียบกับหอลมมีข้อดีที่ชัดเจน โดยเฉพาะสถานีขึ้นทะเล การใช้ไลดาร์แทนหอลม ประโยชน์ทางเศรษฐกิจมีความโดดเด่นมากขึ้น

การใช้งานของ Nacelle Mounted Wind LiDARs

ความแตกต่างจากการทับซ้อนกันในระดับสูงระหว่างฟังก์ชันของลิดาร์วัดลมบนพื้นดินและหอลม ลิดาร์วัดลม nacelle เป็นแอปพลิเคชั่นใหม่ในอุตสาหกรรมพลังงานลมซึ่งสามารถวัดความเร็วลมด้านหน้ากังหันลมได้ ใบมีดโดยไม่ได้รับผลกระทบจากความปั่นป่วนของใบมีด และการใช้งานหลัก ได้แก่ การควบคุมการป้อนเข้า การแก้ไขการหักเห และการทดสอบเส้นโค้งกำลัง

1) การควบคุมการป้อนกลับ

การควบคุมการป้อนกลับเป็นการใช้งานหลักของ nacelle lidar ปัจจุบันมีมากกว่า 1,500 ยูนิตทั่วโลกที่เชื่อมต่อ nacelle wind lidar กับระบบควบคุมของกังหันลม และบังลม nacelle มากกว่า 90% มีคานไม่น้อยกว่า 4 ลำ เนื่องจากจำนวนลำที่มากขึ้นสามารถรับข้อมูลการไหลเข้าที่มากขึ้นที่ด้านหน้าของใบมีด จากนั้นจึงจำลองความเร็วลมของพื้นผิวโรเตอร์ทั้งหมด

การควบคุมการป้อนไปข้างหน้าโดยยึดตามช่องลมของ nacelle ช่วยให้:

(1) อัจฉริยะหันเหเพื่อเพิ่มการผลิตไฟฟ้าของหน่วยมากกว่า 2%

(2) ลดภาระเมื่อยล้า ลดความผันผวนของความเร็วโรเตอร์และความผันผวนของพลังงาน

(3) ตระหนักถึงการควบคุมสภาพลมที่ดีที่สุดและลดภาระที่ จำกัด

(4) ตระหนักถึงการควบคุมสภาพลมที่ซับซ้อนและลดความเสี่ยงในการทำงานของกังหันลม

(5) การควบคุมแบบปรับได้ของสภาพลม การปรับใช้กลยุทธ์การควบคุมที่ยืดหยุ่นตามสภาพลม

(6) การควบคุมเครือข่ายกังหันลมแบบหลายกังหันช่วยลดผลกระทบของการตื่นในฟาร์มกังหันลมทั้งหมด และเพิ่มการผลิตไฟฟ้าของฟาร์มกังหันลมทั้งหมด

ผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ ความนิยมของ nacelle wind lidar ในกังหันลมอยู่ไกลเกินความคาดหมาย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา OEM กังหันลมเกือบทั้งหมดได้แสดงความสนใจอย่างมากในเทคโนโลยีการควบคุม feed-forward ที่ยึดตาม nacelle wind lidar และเริ่มการทดสอบที่สอดคล้องกันและ การศึกษาด้วยการวิจัยและการควบคุมต้นทุนของกังหันลม nacelle ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ตลาดกังหันลม nacelle จะได้รับการปรับปรุงอย่างมากและกลายเป็นส่วนประกอบมาตรฐานของกังหันลม

2) แก้ไขการหันเห

การใช้ nacelle wind lidar สามารถบรรลุสองโหมดการหันเห โหมดแรกคือ lidar ลม nacelle ดังกล่าวในระบบควบคุมหลักของกังหันลมเพื่อให้เกิดการควบคุมการหันเหตามเวลาจริง ประการที่สองคือการติดตั้ง nacelle wind lidar ในกังหันลมเป็นระยะเวลาหนึ่ง (ส่วนใหญ่ประมาณหนึ่งเดือน) เพื่อรวบรวมข้อมูลการเบี่ยงเบนระหว่างการวางแนวกังหันและทิศทางลม รื้อ nacelle wind lidar หลังจากการวัด คำนวณค่าเบี่ยงเบน ของการวางแนวหน่วยผ่านข้อมูล lidar ลมของ nacelle และแก้ไขค่าเบี่ยงเบนในระบบควบคุมกังหันลม เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการแก้ไขการหันเห โหมด 1 ต้องร่วมมือกับกลยุทธ์การควบคุมกังหันลมเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการหันเห ในขณะที่เรดาร์ nacelle ในโหมด 2 ไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับระบบควบคุมหลัก ซึ่งง่ายต่อการใช้งาน ดังนั้นโหมด 2 จึงเป็นตัวเลือกแรกสำหรับ ลูกค้าจำนวนมาก

3) การทดสอบเส้นโค้งกำลัง

มาตรฐาน IEC61400-12 เสนอให้ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด 2 ถึง 4 เท่าของความเร็วลมในการคำนวณเส้นโค้งกำลัง และช่วงลิดาร์ของลม nacelle ทั่วไปสำหรับการควบคุม feed-forward น้อยกว่า 200m และเพื่อให้สามารถวัดได้ทั้งหมด ความเร็วลมของพื้นผิวโรเตอร์ มุมความตึงของลำแสงบนและล่างมีขนาดใหญ่เกินไป แม้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์จะวัดได้ 2-4 เท่าของความเร็วลม ความเร็วลมสังเคราะห์และความเร็วลมจริงจะมีความเบี่ยงเบนมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีกังหันลมสำหรับการทดสอบเส้นโค้งกำลัง Molas NL400 ที่เปิดตัวโดย Movelaser ได้รับการปรับปรุงบนฝาปิดช่องลมของ nacelle ดั้งเดิม และช่วงการวัดของมันได้รับการอัพเกรดเป็น 400 ม. ซึ่งสามารถวัดความเร็วลมได้อย่างง่ายดายที่เส้นผ่านศูนย์กลางของยูนิต 2 ถึง 4 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ มุมความตึงด้านบนและด้านล่างถูกเปลี่ยนเป็น 10 ° เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของความเร็วลมในระยะทางไกล มาตรฐาน IEC61400-50-3 ในปัจจุบันของ nacelle wind lidar สำหรับการทดสอบเส้นโค้งกำลังกำลังอยู่ในระหว่างเตรียมการและคาดว่าจะประกาศใช้ในปี 2565 วิธีการทดสอบเส้นโค้งกำลังไฟฟ้าโดยใช้ลมลิดาร์ของ nacelle ซึ่งเขียนภายใต้การอุปถัมภ์ของ DTU ได้รับการเผยแพร่สู่สาธารณะ .

เนื่องจากเรดาร์ในห้องโดยสารได้รับการติดตั้งในตัวเครื่องและมาพร้อมกับการหมุนของกังหัน เมื่อเทียบกับการใช้หอลมหรือเรดาร์ภาคพื้นดินสำหรับการทดสอบเส้นโค้งกำลัง ข้อมูลที่มีอยู่จะไม่ได้รับผลกระทบจากทิศทางลม และ ข้อมูลความเร็วลมของแต่ละส่วนความเร็วลมสามารถเก็บรวบรวมได้ในเวลาอันสั้น สำหรับพื้นที่ที่ไม่สามารถสร้างหรือติดตั้งเรดาร์บนหอคอยหรือภาคพื้นดินในพื้นที่ภูเขาและทะเลได้ ข้อดีของการใช้ nacelle lidar สำหรับการทดสอบเส้นโค้งกำลังจะชัดเจนยิ่งขึ้น

การใช้งาน Wind LiDAR สำหรับอุตสาหกรรมลม