Προκλήσεις και εφαρμογές της τηλεπισκόπισης στην υπεράκτια ανάπτυξη αιολικής ενέργειας

Από RemoteSensing Wiki

Challenges and solutions of remote sensing at offshore wind energy developments (Review)

Προκλήσεις και εφαρμογές της τηλεπισκόπισης στην υπεράκτια ανάπτυξη αιολικής ενέργειας

Συγγραφείς: T.A. Kelly, T.E. West, J.K. Davenport

Πηγή: Marine Pollution Bulletin, 2009

Σκοπός του άρθρου είναι η αναγνώριση των προκλήσεων που αντιμετωπίζει η χρήση ραντάρ σε υπεράκτια αιολικά πάρκα. Το ραντάρ εξελίσσεται σε σημαντικό εργαλείο για τη συγκέντρωση στοιχείων για τις δραστηριότητες πουλιών και νυχτερίδων σε προτεινόμενα και υπάρχοντα αιολικά πάρκα και πιθανώς, να διαδραματίσει ένα σημαντικότερο ρόλο στην αυξανόμενη ανάπτυξη της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψη την έλλειψη γνώσης για τις δραστηριότητες πουλιών και νυχτερίδων υπεράκτια και την αυξανόμενη δυσκολία στη λήψη πληροφοριών.

Όσον αφορά τα υπεράκτια αιολικά πάρκα, υπάρχουν οι εξής προκλήσεις: η ανεπιθύμητη επιστροφή από τα κύματα, η ανίχνευση πουλιών στην επιφάνεια του νερού ή ακριβώς πάνω από αυτήν και οι παρεμβολές από τα ραντάρ που χρησιμοποιούνται στη ναυσιπλοϊα. Πέρα από αυτές που αφορούν τα υπεράκτια αιολικά πάρκα, υπάρχουν και οι προκλήσεις που αφορούν τα πάρκα της ξηράς, αλλά ισχύουν και για τα υπεράκτια: η κατακρήμνιση, η σκίαση από την τουρμπίνα, η κατηγοριοποίηση του στόχου και η μείωση του κινδύνου πρόσκρουσης των πουλιών στις τουρμπίνες.

Ανάπτυξη υπεράκτιων αιολικών παρκών: Προκλήσεις

1. Ανεπιθύμητη επιστροφή από τα κύματα

Πρόβλημα: Η επιφάνεια ενός κύματος που προσανατολίζεται προς ένα ραντάρ δημιουργεί ανεπιθύμητη επιστροφή που επηρρεάζει την ανακάλυψη των επιθυμητών στόχων. Η ανεπιθύμητη επιστροφή από τα κύματα (wave clutter) μπορεί να αποτρέψει την ανίχνευση ενός βιολογικού στόχου στην ίδια περιοχή εάν η επιστροφή του είναι πιο αδύνατη, και όσο περισσότερο η επιστροφή από τα κύματα γεμίζει μια περιοχή που έχει στοχευθεί από το ραντάρ, τόσο λιγότεροι βιολογικοί στόχοι μπορούν να ανιχνευθούν μέσα στην περιοχή.

Λύση: Η ευκολότερη λύση είναι να χρησιμοποιηθεί ένα ναυτικό ραντάρ που ανιχνεύει κάθετα και όχι οριζόντια. Τα ραντάρ που ανιχνεύουν κάθετα ελαχιστοποιούν την περιοχή της επιφάνειας νερού που ανιχνεύεται, και επίσης παρέχουν υψομετρικά στοιχεία (σημαντικά για την αξιολόγηση των μετακινήσεων των βιολογικών στόχων εντός της ζώνης που καλύπτει ο δρομέας των ανεμοστροβίλων) και καλύτερα στοιχεία για την καταμέτρηση των βιολογικών στόχων που κινούνται εντός της περιοχής. Άλλες πιθανές λύσεις είναι τα ραντάρ που σκιαγραφούν κάθετα (vertical profiling radars), ο «φράχτης» ραντάρ (radar fence) και οι χάρτες στατικής ανεπιθύμητης επιστροφής (static clutter maps).

2. Ανίχνευση πουλιών στην επιφάνεια του νερού ή πάνω από αυτή

Πρόβλημα: Πολλά πουλιά του νερού όπως οι πάπιες, οι χήνες, οι γλάροι και οι στέρνες πετάνε πολύ κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας. Αυτά τα πουλιά επίσης ξαποσταίνουν πάνω στην επιφάνεια του νερού. Αλλαγές στη συμπεριφορά των πουλιών ή τα πρότυπα μετακίνησης (π.χ. εποχιακή μετανάστευση, καθημερινές μετακινήσεις), και η απώλεια φυσικής κατοικίας για κούρνιασμα ή αναζήτηση τροφής είναι δύο πιθανές επιδράσεις που προκαλούνται από την υπεράκτια ανάπτυξη αιολικής ενέργειας.

Λύσεις: H συσχέτιση ολοκλήρωσης scan-to-scan (scan-to-scan integration correlation) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει τους στάσιμους ή αργά κινούμενους στόχους στην επιφάνεια του νερού (π.χ. κομμάτια επιπλέοντος πάγου) και απαιτεί περιστροφή κεραίας γρηγορότερη από την κανονική. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί ένα μεγάλο αριθμό προηγούμενων εικόνων ραντάρ και τις ενσωματώνει για να δημιουργήσει μια σύνθετη εικόνα. Αυτό απομακρύνει την ανεπιθύμητη επιστροφή από τα κύματα και το θόρυβο από το δέκτη και κάνει τα στάσιμα αντικείμενα να φαίνονται σαν σημειακοί στόχοι (εικ.1) και τους αργά κινούμενους στόχους σαν «ίχνη σαλιγκαριού».

3. Παρεμβολή από άλλα ραντάρ

Πρόβλημα: Τα ραντάρ που λειτουργούν σε εγγύτητα το ένα με το άλλο μπορούν να προκαλέσουν παρεμβολή στα δεδομένα, που απεικονίζεται συχνά ως ακτινωτές γραμμές. Αυτό μπορεί να αποτελέσει κοινό πρόβλημα καθώς τα περισσότερα πλοία χρησιμοποιούν ναυτικά ραντάρ για τη ναυσιπλοΐα.

Λύση: Οι ακτινωτές γραμμές που προκαλούνται από την παρεμβολή από άλλα ραντάρ μπορούν να μειωθούν χρησιμοποιώντας την επεξεργασία CFAR (Constant False Alarm Rate - εικ.2). Η τεχνική αυτή μειώνει τα δεδομένα στα σημεία με τη μεγαλύτερη ένταση. Τα σημεία που απομένουν θα μπορούσαν λανθασμένα να θεωρηθούν βιολογικοί στόχοι. Οι αλγόριθμοι απόρριψης της παρεμβολής σε συνδιασμό με προσοχή στο διάγραμμα συσχέτισης μπορούν να ελαχιστοποιήσουν αυτό το πρόβλημα.

Προκλήσεις τηλεπισκόπισης που αφορούν όλα τα αιολικά πάρκα

1. Κατακρήμνιση

Η κατακρήμνιση διαποτίζει τα X-band ραντάρ (μήκους κύματος 3 εκατ.), ανεξάρτητα από το πώς τοποθετούνται, αφήνοντας το ραντάρ ανίκανο να ανιχνεύσει τους βιολογικούς στόχους κατά τη διάρκεια της κατακρήμνισης. Παρόλο που το X-band ραντάρ μήκους κύματος 3 εκατ. διαποτίζεται από την κατακρήμνιση, τα μεγαλύτερα S-band ραντάρ μήκους κύματος 10 εκατ. είναι ικανά να ανιχνεύσουν τους βιολογικούς στόχους με κατακρήμνιση, με την κατάλληλη ψηφιακή επεξεργασία (εικ. 3). Πρώτα αφαιρείται η κατακρήμνιση μέσω του αλγορίθμου CFAR και στη συνέχεια χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ανίχνευσης για να ξεχωρίσει την ανεπιθύμητη επιστροφή, από τους κινούμενους στόχους.

2. Σκίαση από την τουρμπίνα

H σκίαση από την τουρμπίνα ορίζεται ως η περιοχή που καλύπτεται από την τουρμπίνα και όπου το ραντάρ είναι ανίκανο να ανιχνεύσει τους στόχους. Μια διαθέσιμη λύση, είναι να σημειωθούν οι περιοχές που καλύπτονται από την τουρμπίνα και να αποβληθεί οτιδήποτε ανιχνεύεται σε αυτές τις περιοχές. Αυτό αποβάλλει τους ψεύτικους στόχους και παρέχει μια περιοχή που μπορεί να ανιχνευθεί με συνέπεια. Άλλη μια διαθέσιμη λύση είναι οι αλγόριθμοι ανίχνευσης που επιτρέπουν την ανίχνευση των στόχων μέσα ή πίσω από τον πύργο της τουρμπίνας ή τους έλικες.

3. Κατηγοριοποίηση στόχων

Τα στοιχεία από το ναυτικό ραντάρ δεν μπορούν να ταξινομήσουν τους βιολογικούς στόχους σε πουλιά, νυχτερίδες, έντομα, σε ξεχωριστά είδη ή ομάδες ειδών χωρίς επικύρωση από ανιχνευτές νυχτερίδων ή θερμικές εικόνες. Τα ραντάρ ανίχνευσης χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ιπτάμενων βιολογικών στόχων και διακρίνουν το στόχο σε ένα συγκεκριμένο είδος, χρησιμοποιώντας πρότυπα του χτύπου των φτερών. Αυτοί οι τύποι κατηγοριοποίησης στόχων είναι βασισμένοι στο ρυθμό συντονισμού της ηχούς του ραντάρ που παράγεται από το φτερό του στόχου, καθώς ακολουθείται από την ακτίνα του ραντάρ για αρκετά δευτερόλεπτα.

4. Μείωση κινδύνου πρόσκρουσης των πουλιών στις τουρμπίνες

Έχει καταγραφεί παγκοσμίως μεγάλη θνησιμότητα πουλιών λόγω πρόσκρουσης στην τουρμπίνα. Μία πρόταση είναι να κλείνουν οι τουρμπίνες ή να μειώνεται η περιστροφή, σε περιόδους υψηλού κινδύνου. Αυτές οι περίοδοι όμως είναι πολύ μεγάλες και οικονομικά ανέφικτες. Για το σκοπό αυτό, οι συγγραφείς του άρθρου ανέπτυξαν ένα σύστημα MERLIN SCADA που ενσωματώνει την τεχνολογία ραντάρ για πουλιά με το λειτουργικό σύστημα του αιολικού πάρκου. Αυτό το σύστημα ραντάρ λειτουργεί συνεχώς σαν σύστημα ελέγχου και παρακολούθησης και θέτει τις τουρμπίνες σε χαμηλές στροφές λειτουργίας μέσω του SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), όταν οι συνθήκες υποδεικνύουν υψηλό κίνδυνο πρόσκρουσης.