风力发电机的风速监控简介

这是我将在接下来的数个月中发表的系列文章中的第一篇,希望能藉此为需要了解风力发电站相关信息的人士提供帮助。我将从小型风力发电机以及一些最基本的问题开始,然后逐步地对风场评估的技术和复杂性问题进行介绍,这通常是风能分析师所必需掌握的知识。

这些文章对终端用户发给我们的常见问题进行汇总,并不表示您不需要向风能分析师进行咨询。

当您考虑要在您的家乡或农场建立小型风力发电站时,有一些问题必需先考虑清楚,但最重要的是以下三点:

  • 高度
  • 地点
  • 风力发电机的规模

 高度

非常简单,风力发电机的高度是越高越好。高度越高,障碍物将越少,因此发生湍流的可能性将越低,而这通常意味着更快的风速

(真实数据由Logic Energy Ltd提供)

以上数据来自同一个测风塔上的两个风速计,一个位于40米的高度,另一个位于30米的高度。40米高的风速计所测得的平均风速比30米高风速计测出的速度高出1m/s。

地点

地点,地点,地点,和房地产市场一样,这可能是建设安装风力发电站时所要考虑的最重要因素。我们可能处于一个多风地区,但是我们所考虑的地点可能被树木、房屋甚至数英里外的市镇等障碍物所包围。这些都将产生不利的因素,包括湍流的加剧以及风速的锐减。

如上所示,风力发电机的轮毂越高、所在的地点越好,将能减少湍流的产生并获得更稳定风力。

 

风力发电机的规模

想象一下航行中的船只,船只越大,它们将能获得更多的风力,因此将产生更多的能量。风力发电机也是如此,规模越大,其旋翼将获得更多风力。

当然,有些技术能够改善风力输出效率,而所有各类技术的进步也能对此作出改进,但这却是必须铭记的基本原则。

和地点有关,必须说明最后一点,在某些地区,风速会过于突发或强烈,甚至风速过快,在这些地点,安装大旋翼风力发电机却未必是最佳的解决方案,其他更小型的风力发电机将能更好的利用这些高速风资源。

当您获得足够的风速测量数据后,您的风力分析师或咨询师将为您提供宝贵建议。

 

风速监测项目规划

谨记三点原则,我们将能确定适合建设风力发电站的“完美”风场地点,但在这之前,您必须先在一定时期内对所选地点的风速进行监测,当然,时间越长越好。这可以采用不同的方法,但一般来说,我们建议采用专业的风速记录器,它们不仅能够记录数据且能够对数据进行实时计算,从而为风力分析师提供所有相关信息。

注意事项:

  • 风速的平均值,最大值和标准差: 通常以10秒钟为单位进行计算。
    • 平均值:10分钟内的风速平均值,常用单位为米每秒[m/s]
    • 最大值:10分钟内所测风速的最大值
    • 标准差:10分钟内湍流强度的相关指数。我们需要确定“湍流对风力起到推动而不是阻碍的作用”
  • 风向:您需要了解主要风向及其对应风速。
  • MET塔或测风塔:专业人士通常会和安装在塔上的风速计或风速传感器一起使用。测风塔不得产生任何震动或摇晃,否则将影响到风速记录器读取数据。通常,一座测风塔会应用多个传感器,并且将它们安装在不同高度以便更好地读取站点的风速数据。其他因素也相当重要,例如地面粗糙度、风切变以及温度和压力。
  • 风切变:在不同高度测量风速并计算得出。在不同高度进行测量,我们将能更好理解湍流强度以及高度对风速的影响。当无法在风力发电机轮毂所在高度进行测量时,这通常也可用于“推断”更高高度的风速数据。

LeSENSE wind example

(在LeSENSE得到的风速平均值、最大值和标准差,数据由Logic Energy Ltd提供)

风速监测常见问题

  • 我应该记录或监测风速数据多长时间
    • 在作出准确的决策前,您必须先进行数个月的风速测量。理想的情况是不少于6个月,甚至最好能够达到一年。
  • 如何处理所得数据?
    • 理想的情况是请分析师进行查看,他们更能理解有关数据并为您的决策提供参考意见。
    • 将数据发送给风力发电机供应商,他们将让您了解通过您的站点能够生产多少电力。
    • 计算平均风速,您将能对站点的风速有一个基本的了解。
      • 一般而言,小型发电站都是由私人资金投资建设,当风速超过4m/s时才具备可行性。
      • 如果风力发电站得到银行资金的支持,通常在风速超过6m/s时才具备可行性。
    • 计算频数分布,该数据通过把风速分布到不同区间,让您能够更清晰地了解站点风资源的情况。
      • 当您掌握了不同的风速分别出现了多少个小时(通常是1m/s的band或bin)后,您可以将这些数据和风力发电机供应商提供的功率曲线相乘。这些数据的总和表示对于站点内的某个风力发电机而言将能够生产多少电力。
    • 所有方法都无效… 请联系我们,我们将派出专家为您提供咨询。

(使用LeSENSE的频数分布图,由Logic Energy Ltd提供)

 

设备

  • 风速计应该通过可追踪证书进行校准。精确度应优于1%,解析度应优于0.1m/s。推荐使用至少两个风速计。
  • 风向标理想的情况是应该具备一定的解析度
  • 风速记录或监测:
    • 可存储历史数据。且至少应该支持以下风速相关参数:
      • 风速平均值,最大值和标准差
    • 风向
    • 建议测量温度和/或压力、湿度
    • 建议为额外的风速计设备或其他传感器留出空闲频道
    • 风速记录器或监测设备供电电源
      • 对于短期使用且数据的存取相当频繁时,可以使用碱性电池
      • 对于长期使用且需要(通过GSM或GPRS)进行远程数据存取时,请使用光伏电源套件进行供电

 

 更多一般性常见问题

为什么需要使用风速记录器记录风速?

在购买风力发电机时不了解站点的风资源情况,将让您面临着极高的风向。所测风速的细微偏差,例如0.4m/s,也会导致在20-25年内高达数万英镑的损失。风速分析师和银行对此也了如指掌,这里不存在秘密,只需要有准确的数学计算和风速数据。

我已经查看过风速数据库以及在我的站点所测得的良好/不良平均年度风速。这些信息是否已经足够作出决策?

不,这还不足够。风力发电站的微观选址受到站点周边环境复杂度的影响。有时,即使数据库中的平均风速非常优良,但由于周边环境(树木、房屋、山谷)的影响而导致实际的平均风速并非如此;相反,即使数据库中的年度平均风速并不优良,但是在对微观选址的精心计划下(例如选择高出周边环境的地点),仍然可能实现非常良好的风速。

“威布尔分布"及其他专业名词,它们都是什么含义?

当您掌握了平均风速和站点的风资源数据后,您可以计算用于威布尔分布算法的一个常量值。这将能够进行更为长期的电力预测。关键之处在于,您必须知道微站点的一个常量参数是来自所测风速数据的。


小型风力发电机案例

让我们来查看该表格,两者均属于同一个站点。其中一个是以威布尔分布在参数k=2(这是业界公认的标准)时的风速概率,另一个则是以LeNETmobile风速监测器所记录的实际数据为基础所得出的结果。两者的平均风速均为3.5 m/s。


下表显示了以米每秒为单位在水平轴上的风速数据在纵轴上每一风速段的风速概率。在实际数据中不会存在概率,只有实际数据!

通过预测数据,我们发现6m/s的风速概率为12%,但在实际数据中仅为6.5%。这似乎是坏消息,但让我们看看更快的风速:10m/s、12m/s……这些风速通常会让风力发电机更具效率!

目前的情况一切良好,但是这和电力生产有何关系呢?

在两组数据中(实际数据和威布尔数据),我们发现了不同风速出现的小时数。对于不同风速出现小时数的总和,我们将其和由其他风力发电机制造商提供的功率曲线放在一起,我们发现了差异巨大的数值:

所得数据(实际数据):在一个月内为1,492kWh

使用威布尔算法预测的数据:在一个月内为1,086kWh

您能否看出实际数据和预测数据之间的差别?在这种情况下,还算是一种正面的结果,要是情况刚好相反呢?如果我们预测的数据比实际数据高出很多呢?在决定要对风力发电站进行投资前,我们必须要对其实际潜力有清晰的了解。

但是……每月1,500kWh的数据也并不理想,不是吗?

好的,这都取决于风力发电机的规模以及风场的风资源丰富程度。该研究数据是透过一个非常小型的风力发电机所获得的。



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