[00131656]连续波激光多普勒风速风向雷达

课题来源与背景 目前,风力发电场的常见测风设备为风杯风标式测风仪。这类测风仪虽具有结构简单的优势,但也存在一些难以克服的缺点：大型风机运转时桨叶会对周边气流造成扰动,导致安装在风机上的风杯风标式测风仪数据准确度较差,而将其安装于风机正前方一定距离时又需另外建设测风塔,提高了总体成本;另外,风杯风标式测风仪为机械式设备,其性能会随使用时间而下降,长期测量精度难以保证。本项目针对风电行业对提高发电效率的迫切需求,提出研制一种基于窄线宽光纤激光器,采用相干检测方式的连续波激光测风雷达。该系统采用自主研制的高功率窄线宽光纤激光器,通过实时获取风力发电机正前方70米处的风速风向数据,为风力发电机的方向与桨距控制提供基础信息,可提高发电效率与输出功率的稳定性。 技术原理及性能指标 基本原理为：光的多普勒效应指目标物反射的波长会随着波源和目标之间的相对运动（即速度）的大小而产生相应变化。当目标物朝向波源运动,导致波的压缩和频率的增大,称为蓝移;当目标物远离波源运动,导致波的拉伸和频率减小,称为红移。通过接收背向米氏散射光并分析其相对发射光的多普勒频移信息,激光雷达可以实现对风速的测量。 a、检测参数：风向、风速 b、检测范围风向：±30°;风速：2-30m/s c、检测精度风向：±2°;速度：0.2 m/s d、响应时间：实时 e、工作距离：80m（光束聚焦距离）; 70m（风力发电机正前方） f、工作方式：非接触式 g、激光类型：连续光（CW） h、激光波长：1550nm 工作温度：-30℃~50℃ 技术的创造性与先进性 项目重点解决的产业关键共性技术包括： （1）解决了常用的机械式测风仪仅能获取所在位置处的风速风向信息、易受风力发电机叶片转动的干扰、准确度较差的问题。通过采用激光遥测方式直接测量风力发电机正前方风速风向,提升了数据的准确性,为风电行业提供了新的实时测风手段; （2）解决了机械式测风仪固有的性能老化问题,雷达系统可在恶劣的野外环境中长期稳定工作,为风力发电机的长时间无人值守运行奠定基础; （3）解决了传统测风仪精度不足导致的风力发电机发电效率难以提升、部件损耗较大、输出功率控制较困难的问题。 技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目针对风电行业提高发电效率的迫切需求,提出研制一种连续波激光风速风向雷达。该系统通过测量大气中微小颗粒引起的散射光多普勒频移,可实时获取风机正前方70米处的风速风向数据,为风力发电机的方向与桨距控制提供数据支持,提高发电效率与发电机输出功率的稳定性。本产品的使用可将风力发电机发电效率提升约4%,对于MW级风力发电机,单台年新增发电量的经济效益可达17万元。 连续波激光多普勒风速风向雷达服务领域广泛,技术用途可以覆盖从风力发电、机场低空分切边监测、大气污染物迁移监测等领域。该测量仪采用多项具有自主知识产权的核心技术,并采用基于光频域反射计的泄露光、杂散光及端面反射光综合抑制技术等自主创新技术,其综合技术指标国内领先,主要技术指标将达到国际先进水平。通过本项目的实施,可以实现多项自主知识产权的核心技术向现实生产力的转化,并通过本项目的带动,努力成为安徽省激光雷达产业迅速崛起的一个新增长极。 应用情况及存在的问题 2020年8月,我们团队携带连续波多普勒激光雷达去湖北省恩施市利川市齐岳山风电站进行用户试用,测量中与风电站测风数据做了对比。实验表明设备可以获取发电机前方的矢量风速信息,为风力发电机增效减损提供了潜在的检测方法。用户同时对所研制连续波多普勒激光雷达测量效果提出了加快数据刷新率的改进建议。 项目实施中存在的主要问题： 项目研制设备的性能指标国际领先,难度较高,部分器件,尤其是光源中核心器件仍有国外进口部分,价格昂贵,购买周期长、且可能受国外禁运等影响,仍需进一步提升国产化水平。 历年获奖情况 项目执行期内,共发表研究论文,4篇,其中SCI检索论文4篇;申请发明专利6项,实用新型专利1项;制定企业标准1项;获软件著作权1项;研制出“连续光激光多普勒风速风向雷达”样机一套。