Радиоволны гасят ветер

Как совместить авиационные радары и ветровые электростанции?
13.07.2021
Клайв А. Джексон

Объекты возобновляемой генерации растут как грибы. Энергокомпании разрабатывают масштабные планы по строительству новых ветропарков, при этом каждый проект должен получить одобрение местных и центральных регулирующих органов.

Во многих странах требуется технико-экономическое обоснование будущего энергообъекта и экспертиза по его воздействию на окружающую среду. Для ветровых электростанций обязательно оценивается их потенциальное влияние на безопасность полётов. И хотя объёмы пассажирских авиаперевозок в последнее время заметно сократились, авиационные регуляторы, которых всегда уведомляют о планах развёртывания ветропарков, могут не выдать разрешение на их строительство. По британской статистике из-за возражений авиарегуляторов более 50% предлагаемых проектов отменяется либо сильно задерживается по срокам. И эта проблема характерна для многих стран.

Отчего столько беспокойства насчёт ветряков? Если они расположены рядом с аэропортами, то могут физически мешать полётам воздушных судов на низких высотах, но практика показывает, что подобные ситуации довольно редки. Гораздо чаще ветрогенераторы влияют на радары первичного слежения (РПС).

Типовой РПС, используемый в гражданской авиации, способен обнаруживать движущиеся объекты с эффективной поверхностью рассеивания (ЭПР), или эффективной отражающей площадью, размером в 1 м2  на расстоянии до 220 км. У ветровых турбин нынешнего поколения с учётом неподвижной металлической башни ЭПР превышает 1000 м2, в то время как отражательная способность движущихся лопастей из-за встроенных в них металлических молниеотводов составляет порядка 100-200 м2 - как у большого самолёта класса Boeing 747. Это значит, что на местности с ровным рельефом ветровые турбины могут быть видны радарам во всём радиусе их действия.

Сильно мельтешат

Влияние ветровых турбин во многом объясняется особенностями радиолокационных систем обработки сигналов. Большинство радаров управления воздушным движением (УВД) способно различать эхо-сигналы от неподвижных и движущихся объектов с помощью эффекта Доплера, что помогает существенно снизить помехи от башен. Однако лопасти турбины движутся со скоростью, сравнимой со скоростью самолета, и большинство радаров УВД не способны обработать доплеровские сигналы так, чтобы различить отражение от движущихся лопастей турбин и отражение от движущегося самолёта.

Проблема усугубляется тем, что большинство радаров УВД работают только в двух координатах (дальность и азимут), а высоту объекта определять не умеют и, следовательно, не могут устранять эхо-сигналы от движущихся у земли целей, таких как лопасти турбин.

Стоит также учесть особенности электроники радаров. В присутствии мощных отражённых сигналов схемы автоматической регулировки усиления снижают чувствительность приёмного тракта (чтобы не допустить перегрузку схем), так что сигнал от самолёта по азимуту ветростанции может вообще не отобразиться на экране. Помимо этого сигнальный процессор фильтрует ложные цели, постоянно рассчитывая уровень отсечки. При большом количестве помех уровень отсечки может оказаться выше величины полезного сигнала, который в результате будет пропущен.


Эффект снижения чувствительности усилительного тракта из-за сильных помех

Но что ещё хуже, сигналы, отражённые от ветровых турбин, могут маскировать или перекрывать реальные сигналы от самолётов, скрывая от глаз диспетчеров потенциально опасные ситуации, возникающие над территорией ветроэлектростанции. Понимая это, авиадиспетчеры часто направляют воздушные суда на безопасное расстояние (обычно не менее девяти километров) от зон помех, создаваемых ветровыми турбинами. Из-за этого может увеличиваться дальность полёта и, следовательно, количество сжигаемого топлива, так что экологические преимущества ветрогенерации сойдут на нет.

Таким образом, во избежание подобных ситуаций представители служб управления воздушным движением часто возражают против строительства ветроэлектростанций вблизи аэропортов и воздушных коридоров. Встречи и переговоры с разработчиками ветропарков в большинстве случаев ни к чему не приводят, и проект строительства электростанции тормозится.

Снизить риски

Чтобы ветровые парки и радары не мешали друг другу, необходимо продумать надёжные способы минимизации рисков.

На сегодня единственное проверенное на практике решение проблемы - уплотнение сети радаров. Это простой и надёжный подход, требующий, однако, больших затрат. Дополнительные радары размещаются там (или имеющиеся переносятся туда), где рельеф местности, например горы, не позволит им видеть ветровые турбины и в то же время обеспечит надёжное сопровождение воздушных целей на достаточно низких высотах.

В противовоздушной обороне часто используется технология многопозиционного радарного сканирования, предусматривающая объединение данных от нескольких радаров в единую воздушную картину. В последнее время эта технология всё чаще применяется в гражданской авиации, особенно в тех случаях, когда диспетчерам необходимо контролировать большой объём воздушного пространства.

Прототип стелс-лопасти монтируется к турбине Vestas V90

Некоторые производители ветровых турбин при изготовлении лопастей пробуют применять стелс-технологии: лопасти турбин на заводе покрываются радиопоглощающими материалами. Это нетривиальная задача, поскольку необходимо сохранить лёгкость, прочность, гибкость и аэродинамические свойства лопастей. При этом нужно минимизировать сложность и стоимость производства.

Не только авиация

Какие параметры ветроустановки сильнее влияют на радары - высота башни, ометаемая лопастями площадь, электрическая мощность? Совершенно очевидно, что тенденция постоянного увеличения размеров ветровых турбин неблагоприятно сказывается на электромагнитной совместимости самых разных радиосистем.

Высокие конструкции с большой отражательной способностью искажают потоки радиоволн, оказывая негативное влияние на передачу данных в телекоммуникационных сетях. Рассеиваемая в пространстве электромагнитная энергия может создавать помехи любому устройству, работающему в соответствующей части электромагнитного спектра.

Помимо авиационных систем от ветропарков страдает радиолокационная метеорология, где используется очень чувствительная приёмная аппаратура. Могут быть затронуты и средства раннего оповещения о ракетных атаках, военные части противовоздушной и противоракетной обороны.

Проактивный подход

Некоторые сервисные компании проводят расчёты и прогнозируют параметры электромагнитной совместимости (ЭМС) всевозможных конструкций и систем - от отдельных турбин до целых ветропарков с учётом характеристик ветра и других явлений. Путём компьютерного анализа моностатических и бистатических диаграмм отражений для ветровых турбин и их компонентов можно классифицировать ветроустановки по их влиянию на электромагнитные поля. Если подобная система оценок будет разработана и внедрена, операторы ветропарков смогут ещё до подачи заявок на строительство оценивать шансы и причины возражений со стороны телекоммуникационных компаний, служб управления воздушным движением и других операторов радаров. Чтобы снизить вероятность досадной остановки проекта, нужно выбрать компоненты и системы ветровых турбин, которые соответствуют высокому рейтингу ЭМС.

Хотя влияние ветровых электростанций всегда нужно будет анализировать для каждого конкретного случая всеми затронутыми сторонами, категоризация оборудования по ЭMC поможет снизить риски при планировании новых энергообъектов.

Об авторе: Клайв А. Джексон - технический специалист компании BAE Systems.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы