Le tecnologie di telerilevamento hanno trasformato in modo fondamentale il modo in cui l'industria eolica valuta e mappa le risorse eoliche in diverse regioni geografiche. Con la fornitura di dati atmosferici precisi e su larga scala senza richiedere torri fisiche ad ogni punto di misura, questi metodi consentono una pianificazione più accurata, un rischio finanziario ridotto e una maggiore efficienza operativa per i progetti eolici.

Che cosa è il rilevamento remoto nel contesto dell'energia eolica?

Il rilevamento remoto della mappatura delle risorse eoliche si riferisce alla raccolta di dati atmosferici, come la velocità del vento, la direzione del vento, l'intensità della turbolenza e la trancia verticale del vento, senza installare strumenti direttamente all'altezza di misura.

Le tecniche di telerilevamento si basano sull'interazione dell'energia (luce, suono o onde radio) con particelle o molecole nell'atmosfera.Analizzando il cambio di frequenza o il ritardo di tempo dei segnali restituiti, gli strumenti calcolano la velocità del vento e la direzione con alta risoluzione spaziale e temporale. Il risultato è un quadro continuo e tridimensionale della risorsa eolica che può ridurre significativamente l'incertezza nelle stime di rendimento energetico.

Tecnologie di rilevamento remoto chiave per la mappatura delle risorse eoliche

LIDAR (Rilevamento della luce e valutazione)

LIDAR è ampiamente considerato lo standard oro per la valutazione delle risorse eoliche al di sopra del livello del suolo. Emette brevi impulsi di luce laser (tipicamente nello spettro quasi infrarosso) e misura la luce a retroscattered da aerosol e particelle di polvere che si muovono con il vento.

Gli strumenti a base di energia moderni sono in due forme principali: LIDAR e la costante-onda LIDAR. LIDAR calibrato Pulsed invia brevi scoppi laser e misura il tempo di volo per determinare l'intervallo, rendendolo ideale per la profilazione fino a 300 metri o più.

SODAR (Sonic Detection and Ranging)

SODAR è una tecnica di telerilevamento acustica che è stata utilizzata per decenni nella ricerca di uno strato di confine atmosferico. Funziona emettendo impulsi sonori udibili (tipicamente nella gamma 1-5 kHz) e analizzando il cambio Doppler degli eco riflettenti da eddie turbolenti e inomogeneità della temperatura nell’aria.

SODAR è particolarmente utile per la profilazione a basso rendimento ed è spesso utilizzato come complemento a LIDAR o a stuoie meteorologiche. La sua limitazione principale è la suscettibilità alle interferenze di rumore, sia da ambienti ambientali (ad esempio, traffico, rumore del vento sul sensore stesso) che da riflessioni acustiche in terreno complesso.

Sensamento remoto satellitare

Il telerilevamento satellitare offre la copertura spaziale più ampia, rendendola inestimabile per la mappatura delle risorse eoliche regionali e per la prospettiva del vento offshore. I satelliti e gli sparometri di Aperture Radar (SAR) misurano la velocità del vento sulla superficie dell'oceano analizzando il backscatter radar.

Il principale vantaggio dei dati satellitari è la copertura globale e gli archivi a lungo termine, che permettono agli sviluppatori di valutare la variabilità delle risorse eoliche nel corso di molti anni. Tuttavia, i venti derivati dal satellite rappresentano venti di superficie (di solito 10 metri sopra il livello del mare) e richiedono l’estrapolazione alle altezze dei mozzi di turbine (80–160 metri) Questo introduce l’incertezza che deve essere ridotta utilizzando la modellazione di mesoscale e nelle misurazioni del situ.

Altre tecnologie emergenti

Oltre alle tre categorie principali, diverse nuove tecnologie di telerilevamento stanno guadagnando trazione. Il radar di doppler (wireless) può fornire campi di vento ad ampia area, ma è attualmente limitato dalla risoluzione grossolana e dal disordine di terra

Vantaggi di rilevamento remoto sopra le tradizionali stufe meteorologiche

La valutazione delle risorse eoliche tradizionali si basa su torri meteorologiche di tipo o free-standing dotate di anemometro, vento e sensori di temperatura a più altezze.

  • Costo e Logistica:[] L'eliminazione di un albero di 100 metri costa centinaia di migliaia di dollari, richiede una vasta autorizzazione e può richiedere mesi. Le mastie offshore sono ancora più costose. Le unità di telerilevamento (LIDAR o SODAR) possono essere impiegate in giorni a una frazione del costo.
  • Copertura spaziale:[[] Un solo albero fornisce dati ad un punto. Il telerilevamento, in particolare LIDAR mobile o satellite, può coprire molti chilometri, catturando la variabilità spaziale critica per ottimizzare il layout della turbina.
  • Risoluzione verticale:[[]] Le masti misurano solo a altezze discrete (di solito 6-10 livelli). LIDAR può profilare ogni 10-20 metri da terra vicina a oltre 300 metri, catturando la curva di taglio eolica completa e l'intensità della turbolenza a tutte le altezze rilevanti per le turbine moderne.
  • Accessibilità:[] Nelle regioni montane remote, nelle foreste dense o in ambienti offshore, la distribuzione di un albero è spesso impraticabile.
  • Qualità dei dati:[[] I dispositivi di telerilevamento possono funzionare continuamente e automaticamente, riducendo le esigenze di errore e manutenzione umana.

Detto questo, il telerilevamento non è una sostituzione completa; è più efficace se usato in combinazione con almeno un albero ben calibrato per la verità dei dati e corretto per le biasi. Lo standard del settore è ora un approccio ibrido: un albero a breve termine (6-12 mesi) combinato con campagne LIDAR o SODAR a lungo termine, e dati satellitari a lungo termine per la variabilità interannuale.

Applicazioni nello sviluppo dell'energia eolica

Selezione del sito e valutazione della struttura precostruttiva

Prima che si installasse una turbina, gli sviluppatori devono comprendere la risorsa eolica attraverso un sito potenziale. Il telerilevamento consente una rapida scansione di grandi aree per identificare zone ad alto vento, aree con turbolenze eccessive da terreno, o regioni colpite da scia di progetti vicini. Le campagne LIDAR tipicamente durano dai 6 ai 24 mesi e catturano le variazioni stagionali. Le mappe delle risorse eoliche risultanti sono alimentate in modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il campo di rilevamento del campo e ottimizzare i dati relativi alle turbine.

Ottimizzazione delle prestazioni della turbina

Una volta che un'azienda eolica è operativa, il telerilevamento continua ad aggiungere valore. LIDAR montata a mano misura la velocità e la direzione del vento in entrata proprio di fronte al rotore. Questi dati possono essere utilizzati per il pitch e il controllo della yaw, permettendo alla turbina di anticipare le raffiche e ridurre i carichi.

Riduzione della stima e dell'incertezza energetica

I dati di rilevamento remoto riducono l'incertezza delle stime delle risorse eoliche da ±15% con dati di mast a ±5–8% quando combinati con LIDAR e i record satellitari. Questa minore incertezza può ridurre significativamente la contingenza nei modelli finanziari, riducendo il costo del capitale. L'International Energy Agency (IEA) Wind Task 11 ha pubblicato pratiche consigliate per integrare LIDAR nella valutazione delle risorse, ampiamente adottate dall'industria.

Valutazione dell'impatto ambientale e della fauna selvatica

LIDAR può rilevare l'attività di uccelli e pipistrelli quando combinato con telecamere radar o ottiche. Le immagini satellitari possono essere utilizzate per mappare la vegetazione e gli habitat sensibili prima della costruzione. La mappatura delle risorse eoliche contribuisce a ridurre al minimo l'impronta consentendo ai layout delle turbine più dense in aree ad alto vento, riducendo così il totale della terra o della zona del mare disturbata.

Sfide e limitazioni

Interpretazione dei dati e incertezza

Gli strumenti di telerilevamento misurano indirettamente il vento e la loro accuratezza dipende da ipotesi sull'atmosfera. Ad esempio, LIDAR ritiene che le particelle di aerosol che si muovono con il vento siano rappresentative del flusso di aria di massa. Nelle regioni con aria molto pulita (ad esempio, alta quota o polare), la resistenza del segnale può essere debole, aumentando l'incertezza della misurazione.

Necessità di calibrazione e verifica

I dispositivi di telerilevamento devono essere calibrati contro gli strumenti di riferimento (solitamente gli anemometro su un albero) per garantire l'accuratezza. I boe LIDAR offshore e galleggianti richiedono la correzione del movimento e la validazione contro le strutture fisse, che è un'area attiva di ricerca. L'industria sta lavorando verso procedure di calibrazione standardizzata, ma attualmente, ogni distribuzione può richiedere la calibrazione site-specific, aggiungendo il tempo e i costi.

Sfide operative

Nelle zone a clima freddo, la ciliegina sulla finestra ottica può ciechi LIDAR. L'alimentazione e le comunicazioni sono considerazioni logistiche aggiuntive, soprattutto nelle aree remote. Per il galleggiante LIDAR, il movimento ondulato e la biofouling sono preoccupazioni in corso che riguardano la qualità dei dati e la longevità dello strumento.

Costo e complessità

Mentre il telerilevamento è più economico di elevare alberi alti, i sistemi LIDAR di fascia alta costano ancora $100,000–$200,000 per unità, non includendo distribuzione e manutenzione. Per i progetti più piccoli, questo può essere un costo significativo. SODAR è più conveniente (circa $30.000–$60.000) ma offre una gamma verticale inferiore e un'incertezza più elevata.

Le direzioni e le innovazioni future

Integrazione con l'apprendimento automatico e l'assimilazione dei dati

Una delle tendenze più promettenti è l'uso di algoritmi di machine learning per fondere i dati da fonti di telerilevamento multiple (LIDAR, SODAR, satellite e modelli di rianalisi) in mappe a fiato ad alta risoluzione. Le reti neurali possono imparare a correggere le biasi e riempire le lacune, producendo una rappresentazione più accurata e continua del settore eolico.

LIDAR galleggiante per vento offshore Deepwater

I boe di prossima generazione sono progettati con sistemi di potenza ridondanti (solare, vento, onda), trasmissione dati in tempo reale tramite satellite e algoritmi di compensazione del movimento che rivali l'accuratezza delle piattaforme fisse. Diversi produttori offrono ora servizi commerciali di LIDAR offshore che soddisfano la International Electrotechnical Commission (IEC) per la valutazione del vento standard internazionale 61-350.

Avanzamenti in Tecnologia Satellite

Le nuove missioni satellitari con una risoluzione spaziale più elevata e i tempi di rivisitazione più frequenti continueranno a migliorare la mappatura del vento offshore. La prossima missione NASA-ISRO NISAR (2024) e i futuri scatterometri dell'ESA fornirà algoritmi migliorati di recupero del vento che possono separare le influenze dell'onda dal vento vero.

Reti multi-sensore e integrazione IoT

Il costo decrescente di LIDAR e altri sensori consente di effettuare reti di misura dense su siti di parchi eolici. Combinate con piattaforme Internet of Things (IoT), queste reti possono fornire dati in tempo reale ai centri operativi per l'ottimizzazione dinamica dei controlli delle turbine e della pianificazione della manutenzione. Ad esempio, una rete di unità SODAR a basso costo può monitorare gli effetti della veglia su un grande parco eolico, permettendo agli operatori di regolare attivamente gli angoli di yaw 5% per ridurre al minimo le perdite di sveglia e aumentare l'outputing globale.

Distribuzioni autonome (Drones e Gliders)

I veicoli aerei senza equipaggio (UAV) che trasportano anemometri leggeri LIDAR o sonici possono essere programmati per pilotare transettos regolari su un sito, fornendo dati ad alta risoluzione a volte di giorno o in condizioni atmosferiche specifiche che sono fondamentali per la comprensione delle prestazioni della turbina.

Conclusioni

Le tecnologie di telerilevamento, in particolare LIDAR, SODAR e sistemi basati su satelliti, sono diventati strumenti essenziali per una mappatura accurata delle risorse eoliche.