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编号:
雷达测风系统调研报告
编制:XXX
审核:XXX
批准:XXX
日期:XXX
一、前言
雷达测风仪作为一种新的风电场测风设备,主要分为用于偏航纠偏校正的水平式测风雷达(机舱雷达)和地面垂直式测风雷达,后者广泛应用与风电场资源测量、评估、微观选址设计的各个方面。而垂直式测风雷达又可分为激光式测风雷达和声波式测风雷达两种,我事业部通过邀请国内主流厂商(代理商)进行咨询、技术交流等方式,完成了此次调研,针对不同雷达测风仪的性能优缺点、价格等进行了总结分析,形成调研报告。
二、测风雷达相对于传统测风塔的性能对比
测
测
量
方
式
参
数
测风塔
测风雷达
测量范围
0-60m/s
0-80m/s或0-30m/s
测量高度
10-150m
30-200m(可自定义12-15个测量高度同步测量)
测量精度(风速)
0.1m/s
0.1-0.2m/s
测量精度(风向)
1°
1°
数据采样频率
1-2s
1s
数据采集
风速、风向及温度、湿度、气压的平均值、标准差、最大值、最小值、总值等
1s/2min/5min/10min平均水平风速、垂直风速、最大最小值、风向、标准偏差、信噪比(SNR)、风切变、紊流强度、GPS坐标、温度、湿度、大气压力
成本
较低(相对雷达测风)
较高(相对测风塔)
其他
抗严寒能力较差,存在倒塔风险
防冰冻、防盗、可机动测量
相比于传统测风设备,测风雷达的最大优点在于体积较小便于移动、测量范围更宽、精度更高以及良好的防冰冻能力,能够广泛应用于风电场资源评估的各个方面,虽然测风雷达相比于单塔来说成本较高,但是测风雷达胜在可以重复使用,尤其对于测风塔缺测数据补测、测风塔代表性不足区域风况复核、问题机位复核等风电场评估建设中的“疑难杂症”的处理有着传统测风塔无法替代的作用。
三、激光测风雷达定义及测风原理
激光测风雷达Lidar(LightDetectionandRanging)是以激光器为光源向大气发射激光,接收大气的后向散射信号,通过分析发射激光的径向多普勒频移反演出风速的测风系统。
图1某型号激光测风雷达外形图
低空激光测风雷达采用相干探测原理,利用稳频激光作为照射光束,通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频,并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移,结合大气风场的多波束测量,最终实现对大气风场信息的测量。
图2激光雷达工作原理
因为一般的自然界微粒(如空气的气溶胶)对流动都具有较好的跟随性。所以对于风速的测量,实际上是对大气中气溶胶运动速度的测量。一台激光测风雷达通常由激光器、入射光学单元、接受或者收集光学单元、多普勒信号处理器(探测器)、数据处理系统等组成。其测速模式主要有三种:参考光模式、直接探测模式和双光束模式。测量高度范围一般为10~200m,水平风速测量范围0~70m/s,测量精度0.1m/s。
三、声波测风雷达定义及测风原理
与激光雷达原理类似,声波测风雷达通过高频扬声器及抛物面反射镜将高聚倍的声波脉冲发射到大气中,通过分析反射波的多普勒频移来实现风速风向等的测量工作。
图3某型声波测风雷达外形及内部构造图
声波测风雷达的垂直测量范围可达40~200m,高度分辨率可达5m,平均风速观测区间可达0~30m/s。与激光雷达相比,声波雷达的一个优势是可以实现高寒高冰冻地区的稳定测量工作,由于高频扬声器、反射镜及接受装置受声波影响处于不断振动当中,因此同仅靠小雨刷保护的激光探头(可以想象一下冬季汽车前挡风玻璃)相比更难形成积水、结霜、结冰等情况,针对高湿、高寒地区的测量精度要高于激光雷达系统。
图4某型声波测风雷达在高寒地区的应用案例
四、两种测风雷达的优劣性对比
性能指标
激光雷达
声波雷达
备注
风速观测区间
0~70m/s或80m/s不等
0~30m/s
激光雷达范围更广
垂直测量范围
10~200m
40~200m
激光雷达范围更广
体积重量
较小
较大
声波雷达体积较大(约一人高)
测量精度
风速不大于0.1m/s,风向不大于1°
风速不大于0.1m/s,风向不大于1°
两者近似,激光雷达略高
抗冰冻雨雪能力
对于强冰冻、雨雪、结霜、雾霾等天气受激光镜头及激光穿透力影响,激光雷达不如声雷达
抗植被遮挡能力
声雷达受周边植被影响较大,布置区域周边最好无高大树木遮挡
功率
100W左右
15W左右
声雷达功率更低,野外供电保障性更好
生产厂家
国产/进口
进口
通过以上对比可以看出,两种雷达的基础测量能力基本无异,虽然激光雷达的风速测量区间更大,但是目前国内外主流风机的最大切出风速不超过27m/s,而南方很多低风速区域风速很少有能够超过20m/s的时候,声雷达的风速测量区间也能够满足
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