促进雷达和风电场共存的风力涡轮机技术的最新发展

导读 在过去的几年里,可再生能源在全球几乎每一项政府政策中都变得更加突出和重要,中国最近宣布了一个雄心勃勃的目标,即到2060 年实现碳中和

在过去的几年里,可再生能源在全球几乎每一项政府政策中都变得更加突出和重要,中国最近宣布了一个雄心勃勃的目标,即到2060 年实现碳中和。

可再生能源的重要性体现在绿色投资和目标是少数几个不受 2020 年社会各个层面的巨大变化影响的领域之一。欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩 (Ursula von der Leyen) 甚至表示欧洲绿色协议将成为欧洲的“复苏动力”。事实上,风能是这些可再生能源目标的核心支柱,陆上和海上风电项目预计在未来几十年内将大幅增加,到 2050 年,仅在欧洲,海上风电的目标就高达 450 吉瓦。

为了实现这些令人兴奋和雄心勃勃的目标,必须解决风力涡轮机对雷达装置的影响以及为防止雷达覆盖范围退化而提出的相应反对意见。风力涡轮机雷达干扰是风能行业面临的一个紧迫而复杂的问题,而英国和全球范围内提高可再生能源贡献的驱动力更是雪上加霜。该问题的全球重要性已导致全球领先的风能协会将其确定为一个关键领域,从而创建了几个专门成立的专门工作组,专门寻找可行的缓解策略。

风力涡轮机对雷达性能的不利影响已有二十多年的历史,但直到最近才开始被视为一个重大问题,因为风力发电场的数量增加并且雷达站可以不受干扰的空间正在缩小。因此,寻求解决方案变得至关重要。

用雷达吸收材料减轻风力涡轮机雷达干扰

特瑞堡的应用技术部门与英国拉夫堡大学材料系合作,发现隐形解决方案在克服干扰问题方面大有希望,开发了 Frame(全雷达吸收材料和设备),为风能和航空业提供可靠的缓解解决方案.

作为签名管理领域的全球领导者,特瑞堡从头开始开发 Frame,在风能和航空领域的参与下协同设计产品。在考虑雷达吸收材料在风力涡轮机雷达干扰缓解中的作用时,这种方法突出了特别重要的领域:

吸收频率——根据它们的位置、主要功能和所需的工作范围,世界各地的雷达站点以不同的频率工作。主要关注的频率在 1-12 GHz 之间;因此,任何解决方案都必须在此范围内可用。

吸收强度—— 随着风力发电需求的增长,每台涡轮机的叶片长度、轮毂高度和兆瓦容量也在增加。风力涡轮机的大小与雷达横截面的大小直接相关,最大的风力涡轮机产生大约 1,000,000 平方米的反射。将其降低到现代雷达可接受的水平需要非常强的雷达吸收。

带宽/单频段——在许多情况下,风电场场地可能会规划在多个位置,这将影响一个以上以多个频率运行的雷达站。重要的是能够同时减轻两个雷达的影响,吸收带足够宽以覆盖两个工作频率,或者吸收器具有多个吸收带。

解决方案的重量——开发专门用于直接用于风力涡轮机的材料解决方案的必要性在于它对涡轮机运行的影响。材料的额外重量可能会给风力涡轮机制造带来问题,并且叶片的解决方案不得增加阻力或改变翼型的形状。

集成方法——为了满足上述标准,同时保持成本效益实施所需的高效制造,将雷达吸收技术集成到风力涡轮机结构中的方法对于实现这种缓解策略所拥有的令人难以置信的潜力至关重要。

通过解决这些领域中的每一个问题,Frame 已被开发为在广泛的频率范围内提供卓越的雷达吸收水平,包括位于多个雷达站附近的风电场站点的多波段吸收。通过使用易于安装的经济高效的“即装即忘”材料解决方案,Frame 为开发人员、雷达操作员和制造商等提供了一种轻松的雷达缓解途径。

让所有人都可以使用缓解措施

框架瓷砖

虽然风力涡轮机雷达干扰问题对于由数百台风力涡轮机产生千兆瓦功率组成的大型海上风电场似乎更为紧迫,但风力涡轮机与雷达的共存对于建造的单个风力涡轮机同样重要,例如,在陆上希望降低碳足迹的具有环保意识的公司网站。

根据风力涡轮机的位置,即使是单个站点也可能在雷达屏幕上造成足够的杂波,从而引起运营商的反对并需要采取缓解策略。这可能会给大大小小的开发商带来相当大的风电场额外成本,这在一开始可能没有预料到;特别是对于小型开发人员,这可能意味着是否继续项目的区别。

特瑞堡新型 Frame 技术的重点是制定雷达缓解策略,该策略适用于所有风电场开发,无论规模大小。最近的一项关键发展是在玻璃纤维织物中加入有源雷达吸收填料,从而最大限度地减少对风力叶片制造的干扰,消除任何湍流或额外的重量并发症,并确保为各方提供极具成本效益的解决方案。X 波段雷达干扰的厚度仅为 3 毫米,并且能够将复杂运动叶片的雷达横截面降低到检测阈值以下,这项创新有助于使新技术成为所有场景中的源头解决方案.

探索使用 Frame 减少雷达截面风叶的更广泛的好处

使用雷达吸收材料来减轻雷达干扰为获得风力涡轮机本身的潜在优势提供了独特的机会,而这在使用仅关注雷达能力的缓解技术时是不可能的。与雷达硬件解决方案或雷达吸收材料等替代品不同的是,Frame 可以主动改善风力涡轮机的机械性能,因为它们直接应用于风电场本身。

意识到在当前的气候下,避免过度工程和额外费用可能比以往任何时候都更重要,除了简单地解决问题之外没有任何好处,特瑞堡设计了 Frame 来为风力叶片制造带来附加值。通过改善叶片的机械性能,Frame 可以在涡轮机的整个生命周期内提高效率,从而降低能源生产的总体成本。

与任何新技术一样,可制造性可能是大规模实施这些具有增强的机械性能和性能的新型减少雷达截面风力叶片的最关键方面之一。将 Frame 集成到玻璃纤维织物本身的方法一直是一个关键的开发重点,以确保它最大限度地减少对叶片制造过程的干扰。

对新旧制造方法进行了试验,并与树脂灌注、湿法叠层、预浸料和热塑性方法的技术优化了兼容性。通过将这种非侵入式集成到叶片制造过程中,我们相信可以建立低 RCS 风力叶片制造的新标准,在规划过程中节省大量时间,并为风力涡轮机本身带来额外的好处,因为上面讨论过。

轮毂高度、扫掠面积、MW 容量……电磁兼容性?

在这个风力扩散和雷达升级的时代,一件事情变得越来越明显,那就是大型反射结构总是会对电磁 (EM) 环境产生固有的不利影响。无论是通过雷达屏幕上的杂波、对飞机轨迹的引诱、视线的中断、无线电和微波的扰乱,还是无数电信传输的中断,具有高电磁波反射率的大型结构的建造都可能导致混乱的电磁环境。

除了广泛讨论的雷达屏幕上的杂波以及对飞机和天气跟踪的影响之外,在许多电信运营中都可以感受到未经缓解的风力涡轮机的电磁效应。当在微波区域工作的雷达波撞击结构时,它会在表面感应出一个振荡电荷,从而产生电流,进而产生一个波,将散射能量从结构中辐射出去。这些散射场会对在这部分电磁频谱中运行的任何设备造成干扰。

特瑞堡应用技术运营的一个关键研究领域是主动计算和预测从风力组件、涡轮机结构到整个风电场的所有事物的电磁兼容性 (EMC)。通过计算分析风力涡轮机及其组件的单基地和双基地 RCS 图,可以开始根据风力涡轮机对电磁环境的影响对风力涡轮机进行分类。

通过实施分级系统,风能开发商应该可以在提交规划申请之前知道雷达运营商和电信利益相关者反对的可能性,只需选择符合最高 EMC 等级的风力涡轮机组件和系统. 最终,一旦系统建立起来,EMC 等级可能成为选择的风力涡轮机的一个关键特征和优势,以及轮毂高度、扫掠面积和兆瓦容量。

虽然风电场的确切影响总是需要由主要雷达利益相关者逐案分析(当然是在短期内),但 EMC 分类可以开始降低风电场大部分风险的过程关于是否要提出反对的计划过程。此外,通过将 EMC 评级系统与 Frame 等雷达吸收材料相结合,风能开发商将可以自由选择最合适的风力涡轮机,不仅在发电量和使用寿命方面,而且在拟议风电场的兼容性方面适应更广泛的 EM 环境。

总体而言,这将使风电开发商受益,通过领先于任何预期的反对意见,减少对风电场应用程序的昂贵延迟。这种减少风力涡轮机结构的电磁干扰从而从源头解决问题的方法是未来风电场和雷达共存的基石。

进一步的研究项目包括开发可以改变其雷达信号和吸收频率的新材料,以及在接触点主动操纵雷达波以提供超宽带吸收的先进超材料。通过开发这些材料,特瑞堡的应用技术部门希望为风能行业解决风力涡轮机雷达干扰问题提供解决方案的重要组成部分;随着世界各国致力于实现其可再生能源目标,这一点正迅速变得至关重要。

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