lidar系统能否让涡轮机精确预测来风信息

发布网友发布时间：2022-04-23 21:05

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热心网友时间：2023-10-09 16:26

收集风能看起来是一个很直接、简单的过程：风吹过涡轮机叶片，推动它旋转；随后，涡轮机带动发电机发电。但现实中，事情并非如此简单。风力发电机必须安装在风力较强的地区，但如果安装角度不合适，未能对准风力最强的方向，发电机就有可能会被损坏，甚至彻底报销。因此，调整涡轮机的角度，让叶片在采集最强风力的同时不被破坏，是涡轮机管理的一个普通却很重要的环节。日前，丹麦科技大学Risoe国家可再生能源实验室的米克尔森教授与他的同事正在开发一项技术，让发电机能够迎风检测到风的来向，并适当调整叶片的位置，从而使涡轮机的角度调适过程能更轻易完成。

该新方法的基础是一项名为“lidar探索及测距系统”（lidar）的技术。Lidar的原理与雷达相似，不过雷达发射无线电波，而Lidar则依赖电磁波。Lidar发射电磁波后，电磁波遇到障碍物会弹回，通过分析弹回的电磁波，Lidar便能确认前方障碍物的性质。研究人员介绍，无线电波波长较长，只有在遇到体积较大的障碍物时才能反弹。而电磁波波长更短，能被更小的物体弹回，更为敏感。关键的是，Lidar电磁波能被自然界中的微小颗粒，如水滴、灰尘、花粉等反射，而这些小颗粒一般都随风漂流，能精确反应风力强度、风向等信息。

米克尔森指出，使用lidar能对来风进行检测，在它到达涡轮机之前知道它的关键信息。试验中，研究人员将Lidar设备置于一座高120米的风力涡轮机的底座。结果证明，Lidar通过释放波长为1.55微米的红外线，检测到了来风信息。反射回来的光波粒子则由专门装置接收，该装置对光十分敏感，能够感应到单个光子的能量。Lidar测量到的4组风力数据距涡轮机100至200米，分别离地面40米、60米、80米、100米。随后，这4组数据与杯形风力计收集到的数据进行了对比分析，以便对Lidar进行校准。杯形风力计在风到达后才能收集数据，因此较精确。完成校准后，对Lidar数据进行分析的计算机将与调整涡轮机叶片角度的发动机相连，实现能量捕捉的最大化。

该研究团队发现，他们虽获得了离地面所有高度风的精确数据，但同时也意识到，将测量仪安装在地面上远不能使测量最理想化，因为安装在地面的Lidar所发射的电磁波会形成一个以地表发射器为中心的圆锥体。通过研究圆锥体，研究人员能得到距涡轮机200米以外的风速信息，但当风离涡轮机不足200米时，便不再能捕捉风力变化的情况。因此，研究人员提出，Lidar系统应当安装于涡轮机的中部，即距地面60米的高空。

但如果要将Lidar安装在涡轮机中部，便会遇到两个问题。首先，涡轮机旋转时会产生离心力，使光的运行轨迹偏离直线。为了克服这一困难，研究人员将 Lidar装置重新“定位”的同时安装了新光导纤维系统，使用镜面指引红外线的方向。完成改装后，涡轮机中部就像一个滚筒烘衣机，光通过电缆传播的，便不会再偏离直线了。

其次，发电机的电流有可能对该装置造成干扰。Lidar系统中的探测器十分敏感，特别容易被其他电流欺骗。为解决这一问题，研究人员将Lidar包裹在可屏蔽电流的物质内，并将过剩电流导向了地面。

经过这些改造以后，风力涡轮机的效率能提高5%，一个功率为4万千瓦的涡轮机每年就能因此节省3.8万美元。此外，涡轮机叶片和发电机的使用寿命将变长，也能省下一大笔测绘开支。