Χρήση τηλεπισκόπισης στην υπεράκτια αιολική ενέργεια
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος τίτλος: Remote Sensing Observation Used in Offshore Wind Energy
Συγγραφέας: Charlotte Bay Hasager, Alfredo Peña, Merete Bruun Christiansen, Poul Astrup, Morten Nielsen, Frank Monaldo, Donald Thompson, and Per Nielsen
Εισαγωγή
Το πρώτο υπεράκτιο αιολικό πάρκο ήταν το Vindeby με 11 ανεμογεννήτιες το οποίο εγκαταστάθηκε στη Δανία το 1992. Από τότε παρατηρήθηκε μια δραματική αύξηση της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας στη Δανία (ρυθμός ανάπτυξης 71%). Αυτή τη στιγμή, στη Δανία λειτουργούν 2 από τα μεγαλύτερα πάρκα στον κόσμο συνολικής ισχύς 4,3MW ενώ οι προσδοκίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης αιολικής ενέργειας είναι η υπεράκτια αιολική ενέργεια στην Ευρώπη να καλύπτει το 50% μέχρι το 2030, με περίπου 150GW. Παράλληλα με την ανάπτυξη της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας ξεκίνησε και η χαρτογράφηση του αέρα στους ωκεανούς χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπισης. Επειδή η εγκατάσταση υπεράκτιων μετεωρολογικών σταθμών είναι δαπανηρή και το ύψος των ανεμογεννητριών αυξήθηκε μέσα στα χρόνια, η μέθοδο της τηλεπισκόπισης αποτελεί ελκυστική λύση για την παροχή δεδομένων. Ακόμα αναπτύχθηκαν τεχνικές όπως η SoDAR και η LiDAR, που βοήθησαν στην παροχή δεδομένων αέρα για τα διαφορετικά επίπεδα της ατμόσφαιρας. Στη παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα τηλεπισκόπισης για την εκτίμηση των αιολικών πόρων στην ανοιχτή θάλασσα.
Μεθοδολογία
Οι πιο συχνές εφαρμογές στην αιολική βιομηχανία είναι η ανίχνευση και η μέτρηση του ήχου (SoDAR) και η ανίχνευση και η μέτρηση του φωτός (LiDAR). Το SoDAR μεταδίδει ακουστικούς παλμούς στην ατμόσφαιρα και δέχεται αντανακλάσεις από την ατμοσφαιρική διάχυση του ήχου ενώ το LiDAR πρόκειται για δέσμη φωτός που μεταδίδεται στην ατμόσφαιρα, παίρνοντας το σήμα από τις αντανακλάσεις αερολυμάτων και σωματιδίων μέσω των ανιχνευτών φωτός του οργάνου. Και τα δύο όργανα συγκρίνουν τη συχνότητα μετατόπισης Doppler μεταξύ του πρωτοτύπου και του αναπαραγόμενο σήματος. Η υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι μια ελκυστική περιοχή εφαρμογής καθώς τα όργανα μπορούν να εγκατασταθούν σε πλατφόρμες ή να μεταφέρονται από τα πλοία παρατηρώντας τους ανέμους. Οι νέες τεχνικές τηλεπισκόπισης παρέχουν το πλεονέκτημα της κινητικότητας και βελτιώνονται συνεχώς ώστε να είναι φορητά για να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ολόκληρο πάρκο. Παραδείγματα παρατηρήσεων από LiDAR φαίνονται στην εικόνα 1 και 2. Στην εικόνα 1 οι οριζόντιες μέσες ταχύτητες των 10 λεπτών από το LiDAR συγκρίνονται με τα δεδομένα του ανεμόμετρου, το οποίο είχε τοποθετηθεί 62 μέτρα πάνω από τη μέση στάθμη της θάλασσας. Η σύγκριση είναι καλή με τους υψηλούς συντελεστές συσχέτισης και τις κλίσεις κοντά στην ενότητα για τους τομείς όπου η κατεύθυνση του ανέμου είναι παράλληλη με τη γωνία μεταξύ του ιστού και της δομής της πλατφόρμας. Στους τομείς 11 και 12 παρατηρούνται υψηλές ταχύτητες ανέμου καθώς η ατμοσφαιρική ροή είναι από τον ανοιχτό θαλάσσιο τομέα.
Οι τεχνικές τηλεπισκόπισης όμως εμφανίζουν και ορισμένα μειονεκτήματα. Αρχικά, αν και το κόστος των μονάδων SoDAR και LiDAR έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια, δεν συγκρίνεται με το ανεμόμετρο. Ένα σημαντικό μειονέκτημα του SODAR είναι ότι εξαρτάται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα να μειώνει τις μετρήσεις κάτω από ουδέτερες ατμόσφαιρες οι οποίες είναι ελκυστικές συνθήκες για την αιολική ενέργεια λόγω της υψηλής ταχύτητας ανέμου και των σχετικά χαμηλότερων επιπέδων στροβιλισμού. Το LiDAR είναι πιο δαπανηρό από το SoDAR. Τα οπτικά μέρη του είναι ευαίσθητα στους αποπροσανατολισμούς και αυτά οδηγούν σε λάθη το σύστημα εστίασης. Η μη ομοιόμορφη οπισθοσκέδαση στον αποτελεσματικό όγκο μέτρησης είναι ένα σοβαρό πρόβλημα το οποίο ενισχύεται από την παρουσία χαμηλής περιεκτικότητας αερολυμάτων στο ύψος εστίασης. Ακόμα έχουμε τα δεδομένα SAR τα οποία συλλέγονται από την ακτινοβολία μικροκυμάτων που μεταδίδει και λαμβάνει ορισμένα μήκη κύματος. Επίσης το SAR μπορεί να αντιστοιχίσει χωρικές λεπτομέρειες στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου πάνω από τη θάλασσα. Στην εικόνα 3 βλέπουμε ποιες από τις ανεμογεννήτριες στο Horns Rev λειτουργούν και ποιες όχι κατά την στιγμή αερομεταφερόμενων SAR. Στην εικόνα 4 μπορούμε να δούμε ένα χάρτη ανέμου για το ανατολικό τμήμα της βαλτικής θάλασσας για τις 8 Σεπτεμβρίου 2007 στις 20:37. Ακόμα η οριζόντια κίτρινη γραμμή στην κάτω δεξιά πλευρά της εικόνας είναι 100 km και η ταχύτητα ανέμου ξεκινάει από 0 στο σκούρο μπλε έως 20 ms-1 σκούρο κόκκινο. Κοντά στην Κοπεγχάγη παρατηρούμε ότι υπάρχουν άνεμοι από τα βορειοδυτικά και μια επίδραση κατά μήκος της ανατολικής ακτής. Μεγάλη ποικιλία από ενδιαφέρουσες ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι χαρτογραφημένες από δεδομένα δορυφόρου SAR (π.χ. κατεύθυνση ανέμου). Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα όπως το Horns Rev στη βόρεια θάλασσα και το Nysted στη βαλτική καλύπτουν περιοχές 16 έως 25 χιλιομέτρων αντίστοιχα. Επίσης βρίσκονται 14km και 9km από τις παράκτιες περιοχές κάτι που καθιστά ενδιαφέρον να χαρτογραφηθούν οι παράκτιες περιοχές με ανάλυση 1km ή μικρότερη και κάλυψη της παράκτιας ζώνης από 5 έως 50km. Έτσι οι παρατηρήσεις SAR παρέχουν εκτιμήσεις των χωρικών μεταβολών στους παράκτιους ανέμους χωρίς την εκ των προτέρων γνώση. Σε αντίθεση με τα μοντέλα ατμοσφαιρικής ροής τα οποία χρειάζονται εκ των προτέρων πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά τοπίου και εμποδίων. Οι χάρτες αιολικών πόρων που βασίζονται σε SAR μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οδηγός για την εγκατάσταση ενός υπεράκτιου μετεωρολογικού οργάνου τηλεπισκόπισης. Το λογισμικό για την εκτίμηση των αιολικών πόρων βάσει SAR έχει αναπτυχθεί στο DTU. Μια άλλη μέθοδο για χαρτογράφηση αιολικών πόρων είναι το QuikSCAT το οποίο συλλέγει δεδομένα καθημερινά από το 1999. Παρέχει παρατηρήσεις από ραντάρ μικροκυμάτων σχετικά με την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου κοντά στην επιφάνεια, κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. Στην εικόνα 6 βλέπουμε την ταχύτητα του ανέμου όπου 0ms-1 σκούρο πράσινο έως 50ms-1 σκούρο κόκκινο, στις 24 Σεπτεμβρίου του 2004.
Αποτελέσματα
Γενικά η παρακολούθηση των ανέμων στην ατμόσφαιρα από LiDAR και SoDAR έχουν ευρεία εφαρμογή. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι είναι υψηλής ακρίβειας όταν συγκρίνονται με υπεράκτια μετεωρολογικά δεδομένα. Τα δεδομένα επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος το οποίο είναι σημαντικό για τη μοντελοποίηση των ανέμων από τα χαμηλότερα έως τα υψηλότερα ύψη. Σε αντίθεση με τις αερομεταφερόμενες και δορυφορικές παρατηρήσεις στους ωκεανούς που έχουν το πλεονέκτημα χωρικής χαρτογράφησης στην οριζόντια δομή. Η αντιστοίχιση σε πραγματικό χρόνο των ανέμων στους ωκεανούς από το δορυφορικό SAR χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με κάποιο λογισμικό για στατιστικές αιολικών πόρων. Για περιοχές όπου η γρήγορη εκτίμηση για τις πηγές ανέμου είναι απαραίτητη, μια σειρά χαρτών QuikSCAT είναι χρήσιμη γιατί έχει τη δυνατότητα να παρατηρεί τους ανέμους υπεράκτια. Η μακροπρόθεσμη τάση στους ανέμους δεν συζητείται σε μεγάλο βαθμό, ωστόσο, στην αιολική βιομηχανία είναι σαφές ότι οι άνεμοι αλλάζουν σημαντικά από έτος σε έτος και αυτό είναι πολύ σημαντικό. = Ο χρόνος ζωής των ανεμογεννητριών είναι 20 έτη, επομένως το κόστος και το όφελος της αιολικής ενέργειας πρέπει να συγκριθεί με αυτή τη χρονική κλίμακα.
