跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

浮動式光達在離岸風場的應用

108/09/05 瀏覽次數 2144
  目前海氣象資料的取得仍以固定式觀測塔為主,但許多離岸風場開發商與研究機構開始嘗試使用光達技術搭配海上平台進行風場量測。目前海氣象資料的取得仍以固定式觀測塔為主,但許多離岸風場開發商與研究機構開始嘗試使用光達技術搭配海上平台進行風場量測。
 
離岸風場海氣象資料
 
離岸風場的開發可分為三個階段,分別是:技術發展階段、示範階段、商轉階段。從初始規劃、施工、營運到最後除役,至少需歷經20年以上,其中海氣象資料每階段都扮演非常重要的角色。
 
例如,為確保所選定的離岸風場可達到預估的產電效能,使投入的巨額投資能獲致預定的效益,必須先進行現場風資料的實測與分析,以掌握可開發的風能;並於風場開發初期,針對不同風與大氣條件下的各種風速範圍,進行風速及電力輸出資料的同步量測與蒐集,建立足夠觀測長度的統計資料庫以獲得功率曲線,藉以決定採用風機的特性,進而評估風場的年發電量。
 
而離岸海氣象塔的設置主要是作為觀測儀器的載具,以蒐集風場的資訊,供前期風機等級選擇、整體風場調整、銀行融資,以及後續營運階段電能產出監控、推估、預測及營運管理維護的憑據。
 
風場量測的演進
 
目前,海氣象資料的取得仍以固定式觀測塔為主。根據國際與國內的規範,氣象塔高度須達風力機輪轂高度並安裝風速計,以測得該高度的風速及風向。國內目前所建置海氣象塔對應的輪穀高度平均約在海平面上90公尺,然而近年主流風機容量已達5 MW,並且快速往大容量風機發展,隨葉片直徑大幅增長,風力機輪轂高度也會隨之增加(例如8 MW風機的輪穀高度就已達140公尺),對於傳統海象氣象觀測塔的設計、施工成本是個挑戰。
 
3種海氣象觀測方法,從左至右分別是傳統氣象塔、固定式光達、浮動式光達(圖片來源:參考IEA WIND, EXPERT GROUP REPORT ON RECOMMENDED PRACTICES)3種海氣象觀測方法,從左至右分別是傳統氣象塔、固定式光達、浮動式光達(圖片來源:參考IEA WIND, EXPERT GROUP REPORT ON RECOMMENDED PRACTICES)
 
另一方面,近年來光達(light detection and ranging, LiDAR)的遙測技術已趨成熟且穩定。相較於傳統氣象塔,具有彈性量測高程(至少6層)、高程可達200公尺以上、三維風速資料、高度機動性等優點,因此已廣泛運用於陸上風場的開發。使用陸域光達進行風資源評估的相關技術規範已於近年發表,包括2012年國際標準組織DNV GL發表陸域光達的技術規範白皮書,以及2013年國際能源署發表陸域光達進行風能評估的實務建議。
 
基於陸域光達的成熟應用,許多離岸風場開發商與研究機構開始嘗試使用光達技術搭配海上平台進行風場量測,這種平台僅需凸出海面約20公尺,同時因樁徑較小、灌入深度淺,可大幅降低海上觀測塔建置的成本。然而,這方式所獲得的風速與風向可能有不確定性,須審慎評估。
 
相較於前述兩種海氣象塔仍需要固定式基座,無法避免打樁或龐大的重力式基座,浮動式光達是近五年興起的另一種量測方式。其原理主要來自兩大機制,藉由設計高耐海性載體來降低六軸運動;另一方面透過軟體進行運動補償,以降低光達受相對運動的影響,使得浮動光達在大多數海況下可類似於在固定平台上運作。相關國際規範雖然目前並無進展,但國際諮詢公司協同9家開發商於2013年開始著手量化浮動式光達敏感度,其長期目標是替代傳統固定式海氣象觀測塔。
 
光達運作原理與設計概要
 
光達的量測原理是雷射都普勒效應,是對欲量測的區域以連續雷射光定焦距照射空氣中的懸浮粒子(如小水滴、灰塵、懸浮微粒等),感測器測量回波光的頻率變化(即都普勒頻移)就可測量空氣中懸浮粒子的速度也就是風速。懸浮粒子的移動與風速相關,粒子移動越快表示風速越大,反之則越小,根據反射波頻率的變化值就能算出風速、風向、風切、紊流等資料。
 
在日常生活中,都普勒效應可見於判斷救護車或警車的前進方向。當觀測者聽到聲音頻率越來越高時,表示救護車或警車是離我們越來越近的;反之,聲音頻率越來越低時,表示它們是離我們遠去。簡單來說,只要兩個物體間有相對速度,並有接收及發出頻率的量測儀器,就可計算它們之間的相對速度與運動方向,在光達的應用上則可量測風速與風向。
 
光達的設備可簡單分為兩部分:發射端與接收端。當發射端以一雷射光源進入一系列的反射鏡與光束擴散器(增強器),把透射激光光束發送到開放的大氣層中,接收端會收到部分被大氣層成分(如氣溶膠、雲等)散射的激光,散射激光被驅動到光學分析儀,其中光學信號先進行光譜分離,放大並轉換成電信號。最後,信號被數字化並儲存在電腦中,以利後續的風場資料分析。
 
都普勒效應,A、C車輛靜止不動,B、D車輛往右前進。都普勒效應,A、C車輛靜止不動,B、D車輛往右前進。
 
光達設計原理光達設計原理
 
浮動式光達技術與系統整合
 
光達的量測原理是運用雷射都普勒效應,量測大氣中氣膠(如小水滴、灰塵、懸浮微粒等)的反向散射效應,間接得知風速、風向等資料,是近年新興的遠距遙測技術。目前市面上販售的陸域光達產品至少有11種類型,以量測原理區分,主要可分為脈衝式和連續式光達技術。 
 
脈衝雷射能量集中、聚焦點固定且來自同一脈衝波,高程量測點範圍(range resolution)不隨距離改變,僅與脈衝間隔有關,因此可量測至數公里遠外的風速資料(視功率而定),缺點是盲區較大(通常是40公尺)。連續式雷射則有高取樣頻率、盲區較小等優點(10 公尺左右),其對焦方式需沿著一段光路徑,因此高程量測點範圍隨著距離平方而增加,導致其最大高程限制在300 公尺以內。
 
Hellevang與Reuder於2013年進行了脈衝式與連續式於波浪作用下的性能測試及交叉比對,他們在空曠地區及六軸模擬器上各擺放2組光達,分別是Wind Cube v1(脈衝式)及ZephIR 300(連續式),進行為期10天的測試。比對資料是離地85公尺高的10分鐘平均資料,並以六軸模擬器進行了不同振幅與周期的移動、轉動、圓錐等運動。整體而言,脈衝式與連續式的標準偏差都非常小,但在平擺方向的量測資料上,脈衝式雷射的標準偏差較大。
 
目前常見的浮動式光達載體有3種,分別是船型浮動式載具、SPAR型浮動式載具,以及浮標型浮動式載具。目前常見的浮動式光達載體有3種,分別是船型浮動式載具、SPAR型浮動式載具,以及浮標型浮動式載具。
 
常用浮動式載具
 
當實際應用浮動式光達於海域量測時,整體系統受力主要來自於波浪、潮流、風等外力作用,進而產生六個自由度運動,分別是三個位移及三轉動角。在直角座標系中沿著x、y、z軸的移動,分別稱為縱移、橫移、起伏;而以x、y、z為轉動軸的三個角旋轉,就是橫搖、縱搖、平擺。由於各元件都受力,因此整個系統是繫纜、浮動平台與結構元件之間的多項耦合受力。
 
由於浮動式光達凸出海平面的高度與面積都遠小於浮動式風機,風的影響已忽略,因此浮動式光達載體設計主要以流體與固體間作用力,以及繫纜系統的流體彈性模式為主。 
 
綜合目前市面上浮動式光達載具,可略分為三大類型:船型、浮標型、Spar型。由於浮動光達多數藉由工作平台船搭載或使用拖船方式布放,因此載體設計上以高耐海性為主,不需考慮其操縱性。Butterfield等人曾於2005年提出一個浮體平台的設計,包含了3種平衡策略,分別是壓艙水、浮力及繫纜。在考量區域海氣象條件、底床條件與成本後,調整3種平衡機制的權重,得出最佳化的浮體設計。
 
壓艙水平衡(如Spar型)─這類型的浮體平台利用壓載方式降低整體重心,產生較大的扶正力臂及慣性回復力,並採用懸垂式繫纜固定,使浮體平台達到穩定平衡。
 
浮力平衡(如船型、浮標型)─浮體面積較大是這類平台的特色,利用浮力的平均分布使浮體達到穩定平衡,通常搭配懸垂式錨鏈固定。船型浮動光達則介於壓艙與浮力平衡之間。
 
繫纜平衡─錨鏈垂直固定在海床上,由錨鏈產生的高拉伸張力固定浮體平台,使平台達到穩定平衡,尤其對於轉動的抑制效果佳,這類型的浮體平台較易發生平移運動,如縱移、橫移、垂直等。目前的大型鑽油平台多採這類型的固定方式,浮動式光達則尚未考慮以其為主要平衡方式。
 
高耐海性浮動式載具概念設計
 
浮動式光達載具型式十分多元,包含船型、浮標型、Spar型等。考量台灣西海域風場水深範圍從數公尺至50公尺,Spar 型吃水深通常超過10公尺,對於部分風場其使用會大幅受限,因此概念設計會以船型或浮標型為主。值得注意的是,以往氣象浮標若採用固定式起伏加速度計量測海象,需特別考慮良好的隨波性,但若搭載光達時則需抑制。
 
Hellevang與Reuder於2013年的實驗指出,光達的量測數據標準偏差受到3軸旋轉影響較大,因此若考量資料精度時,設計概念將以降低轉動角度為首要目標。然而,浮動式光達維護時,人員要由在海中隨波浪上下運動的運輸維修船,登上非靜止在海中的浮動式光達,將隨著風浪增大益顯困難及危險,尤其在強風大浪時。因此設計一款耐浪性佳且運動量小的載具是重要課題,國內研究團隊已藉由縮尺模型及數值模擬兩種方式來評估設計平台的穩定性。
 
以1∕6.4的大比例尺模型為實驗模型,目標區域水深約為22.4 m左右,浮動式光達平台與補償雲台已設計完成。然而為了了解雲台補償效果,先測試無補償雲台的模型,爾後會進行有補償雲台的實驗和兩者的比較。在無補償雲台實驗中,測試兩種波浪類型─規則波及不規則波,前者較易於分析平台運動情況,後者則較貼近現場實測海域波浪。以實驗及數值模擬結果來說,這次設計的耐海性平台運動表現穩定,在3個角度的搖擺都在正負10度之內,符合上述平台穩定性的要求。 
 
台灣發展自主國產化光達有其必要性,若台灣海峽風場資料都由外商主導量測,則對於台灣海峽風場資料與即時海況資料的獲取都無法立即直接掌握,對於未來風場的開發與營運是一大隱憂。目前台灣團隊正積極開發適合本土的高耐海性浮動式光達,希望能達到兩大目標:高穩定性的浮動式載體(風資料可用率高)、低總成本的浮動式光達(包含施工成本、結構成本及運維成本),藉由台灣團隊研究的成果,期望在未來1至2年內能使浮動式光達達成商業化運轉的目標。
 
OPEN
回頂部