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WindCube安装在野外时的照片
一引 言
随着中国风能产业的持续高速发展,中国已投产风电场已经位居世界第一位,截止2019年底,中国风电总装机容量已经到达210.05GW[1],位于世界第一位,远远超过第二位美国105.6GW的装机容量[2]。风能已经成为中国的第三大能源来源,对中国的能源安全、绿色发展意义重大。
激光雷达作为一种近年来兴起的、新颖的测风手段,在风能领域有广泛应用,具有下列主要优点:
(一)激光雷达可以准确测量整个叶轮高度的风速。以前,风机轮毂的高度通常在80米左右,而现在的轮毂高度已经超过120米,尤其是在平原地区等风切变较大的区域。建造如此高的测风塔,其成本已经非常高昂,后期的维护工作量更是非常大,而且更容易产生危险因素。面对高轮毂高度的测风需求,激光雷达可以高效、完美地解决这一问题。
风机的轮毂高度、叶轮直径、额定功率
都在不断地快速提升和增加[3]
(二)激光雷达可显著降低风资源评估的误差。常规的项目评估,通常采用测风塔进行风资源测量,然后利用风资源评估的商业软件推算风电场各个机位的发电量,但是该方法具有较大的误差。面对不同区域风资源差异这一问题,利用激光雷达对关键区域进行补充测量,可以显著降低项目的投资风险,优化风机排布方案,提高项目收益率。
同时,现在平原地区的项目大多风切变较大,测风塔的测量高度通常远低于风机最终采用的轮毂高度,如果仅采用测风塔推算更高高度的风速,会进入较大评估误差。激光雷达可以测量高度300米内的风速和风参数,降低测风塔在风速垂直外推方面的风险,确定合理的风机轮毂高度,优化项目方案。
国际可再生能源服务与创新公司Ecofys认为,风资源评估主要存在四种误差:系统误差、垂直外推误差、水平外推误差、多年外推误差。其项目评估结果表明:1、仅使用测风塔进行风资源评估时,整体误差为14%;2、使用激光雷达进行多点位切换测量时,该方法会降低水平外推和垂直外推的误差,使得整体误差降至8%。
ECOFYS对激光雷达和测风塔
不确定性的分析(节选并翻译成中文)[4]
(三)激光雷达可以测量更多的风数据,更好地评估和优化风机性能。激光雷达,可测量更多高度层、更多类型的风参数数据,对于风机功率曲线的测量是非常有价值的数据,可以绘制更为精确的功率曲线,来评估和优化风机性能。同时,激光雷达的1Hz秒级数据,会提供风速场更高时间分辨率的信息,对于研究风资源特性、风机载荷、风机性能都是必要的输入数据。
(四)激光雷达,可以增加项目融资机会。使用激光雷达,可以获得更多更为信赖的数据,针对前期遗留的风资源问题进行针对性测量,同时可以节约设备部署时间和资金,提高投资者信心,提高项目的融资机会。
(五)激光雷达,可以克服测风塔建造和安装的问题。陆上测风塔的建设需要占用一定范围的土地,有时征地问题较难解决,并且存在一定的安全隐患,尤其是在平原等人口稠密的地区。海上测风塔的建造成本高昂,使用激光雷达可以显著降低成本,同时规避海上恶劣环境下施工和运维的安全风险。
二激光雷达简介
WindCube系列激光雷达,可以分为以下四个产品线:垂直式激光雷达、机舱式激光雷达、扫描式激光雷达、控制式激光雷达,四种产品的基本参数如下表所示。
WindCube系列激光雷达的基本参数表
2.1 垂直式激光雷达
垂直式激光雷达,可测量垂直上空290米高度内的风速风向。WindCube垂直式激光雷达,在全球市场同类产品的占有率第一,可准确获取风速风向数据,同时测量12个高度层。更准确、可靠的风数据,可以确保项目成功融资、降低投资成本和不确定性。
2.2 机舱式激光雷达
机舱式激光雷达,通常安装在风机机舱上,至少测量风机前方2.5D距离处的风速,有效量程通常要到达400米以上。机舱式激光雷达现在已经成为一种不可或缺的、高效的风机性能诊断工具,可用于风机评估、性能优化、故障原因研究。
2020年最新推出的WindCube Nacelle机舱式激光雷达,具有长达700米的测量距离,是现在市场上唯一能达到如此长距离,并满足任何现有和未来风力风机的功率曲线测试要求的激光雷达,尤其适用于海上大机组的功率曲线测试。
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