Fraunhofer漂浮式雷達(dá)與固定式測(cè)風(fēng)塔測(cè)試階段結(jié)果對(duì)比

王 強(qiáng),王 通,路繼寧

(1.長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司,福建 福州350003；2.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200093)

風(fēng)能在全球電力系統(tǒng)中的重要性日益提高,逐漸成為世界各國普遍重視的可再生能源。預(yù)計(jì)2050年,全球總發(fā)電量的35%將來自風(fēng)能[1]。在風(fēng)力發(fā)電中,因海上風(fēng)電所在區(qū)域風(fēng)資源條件好,靠近負(fù)荷中心,越來越受到人們的關(guān)注,日益成為我國電力能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

在開發(fā)海上風(fēng)電過程中,需要詳細(xì)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐,傳統(tǒng)的固定式測(cè)風(fēng)塔受到手續(xù)繁瑣、造價(jià)昂貴、施工窗口期短等因素制約,而漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置因其投放靈活、造價(jià)成本低越來越受到業(yè)界的關(guān)注。

從2009年開始,漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置在歐洲國家陸續(xù)投入使用,提供了新的測(cè)風(fēng)解決方案,目前歐洲有Wind Sentinel[2],SEA WATCH[3],Li DAR Wind Buoy[4]等8種浮標(biāo)系統(tǒng)類型。此次運(yùn)用的是德國Franuhofer I WES設(shè)計(jì)的Li DAR Wind Buoy浮標(biāo)系統(tǒng),在德國梅爾風(fēng)電場(chǎng)已有使用記錄,狀況良好。國內(nèi)雷達(dá)測(cè)風(fēng)在陸上已有成熟運(yùn)用,但之前尚未有海上漂浮式雷達(dá)使用的先例。2018年,中國長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司福建分公司購買了2臺(tái)德國弗勞恩霍夫風(fēng)能及能源系統(tǒng)技術(shù)研究院(Fraunhofer I WES)開發(fā)設(shè)計(jì)的漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置。雖然這套設(shè)備在歐洲北海的海上風(fēng)電場(chǎng)中投運(yùn)多年,但中國尚屬首次使用,測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性能否保證,需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究以福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn),對(duì)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置與島嶼固定式測(cè)風(fēng)塔就風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行了同步比對(duì)分析。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域位置

此次漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置與固定式測(cè)風(fēng)塔比對(duì)區(qū)域設(shè)置在福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)三塔嶼附近。福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)位于福建省福清市江陰半島東南側(cè)和牛頭尾西北側(cè),具體位置示意見圖1。

圖1 漂浮式雷達(dá)與實(shí)體測(cè)風(fēng)塔位置關(guān)系圖Fig.1 Relations bet ween the Fraunhofer I WES Buoys and the location of wind tower

1.2 研究區(qū)域風(fēng)資源情況

福建省位于臺(tái)灣海峽西岸,冬季盛行東北風(fēng),夏季盛行西南風(fēng),盛行風(fēng)向頻率冬季高于夏季[5]。熱帶氣旋在西北太平洋地區(qū)頻發(fā),平均每年影響或登陸福建的臺(tái)風(fēng)達(dá)7個(gè)[6]。

福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)77.4 M W,場(chǎng)址中心距岸線約3.0 k m,平均水深4.8 m,總面積約33.2 k m2。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所立測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)資料,場(chǎng)址90 m高度風(fēng)速為8.2 m/s,風(fēng)功率密度為548.4 W/m2,風(fēng)功率密度等級(jí)為5級(jí),場(chǎng)址區(qū)域風(fēng)能資源豐富。

風(fēng)電場(chǎng)離海平面90 m高度代表年風(fēng)向主要集中在NNE、NE,占全部風(fēng)向的78.64%,風(fēng)能主要集中在NNE、NE,占全部風(fēng)能的89.57%以上,區(qū)域風(fēng)向玫瑰圖見圖2。

圖2 測(cè)風(fēng)塔區(qū)域風(fēng)速(m·s-1)、風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.2 Rose diagra m of wind speed and wind direction frequency in wind tower area

1.3 測(cè)試比對(duì)時(shí)間

此次漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置與固定式測(cè)風(fēng)塔測(cè)試比對(duì)時(shí)間為2018-03-25—07-11。期間2018年8號(hào)臺(tái)風(fēng)瑪莉亞在附近登陸,我們也一并對(duì)臺(tái)風(fēng)期間所測(cè)的風(fēng)資源進(jìn)行了分析比對(duì)。

2 漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置參數(shù)

Fraunhofer漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置能夠測(cè)量周邊0～200 m以內(nèi)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)。此設(shè)備目前已被廣泛應(yīng)用在德國北海、丹麥西海岸以及蘇格蘭東海岸區(qū)域的海上風(fēng)電場(chǎng)中。設(shè)備主體使用航標(biāo)燈結(jié)構(gòu),完全密封設(shè)計(jì),穩(wěn)定性好。Fraunhofer漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置搭配了多樣化的供電方案和充足的電能儲(chǔ)備,能夠保障設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。該裝置能夠在不同氣候條件和水深的海域布置,靈活度高。表1為Fraunhofer漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置的基本性能。

圖3為雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置示意圖。設(shè)備組成包括激光雷達(dá)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(主供電系統(tǒng))、太陽能板(輔供電系統(tǒng))、航標(biāo)燈、GPS、氣象站、GSM天線、雷達(dá)信號(hào)反射器、蓄電池以及各類傳感器。

表1 Fr aunhofer漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置性能Table 1 Perf or mances of t he Fraunhofer I WES Buoy

圖3 雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of Fraunhofer I WES buoys

3 測(cè)試方法

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[7],通過對(duì)數(shù)據(jù)完整性、合理性、相關(guān)性分析,研究雨、霧、臺(tái)風(fēng)、浪、流等復(fù)雜環(huán)境對(duì)雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的影響,并對(duì)比分析研究傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù),從而驗(yàn)證漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性。以下為測(cè)試方法的3個(gè)路徑:

1)對(duì)收集到的2臺(tái)雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性、合理性和相關(guān)性驗(yàn)證。

2)對(duì)島嶼固定測(cè)風(fēng)塔同期數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性、合理性和相關(guān)性驗(yàn)證。

3)通過對(duì)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置與固定測(cè)風(fēng)塔同期驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比,分析和研究不同高度逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)性。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 完整性

從10,70,90和110 m共4個(gè)高度比對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)(其中漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置加上自身雷達(dá)離海面高度,最低的測(cè)風(fēng)高度為13 m,故漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置13 m高程測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與固定式測(cè)風(fēng)塔的10 m高程測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì))。經(jīng)統(tǒng)計(jì),固定式測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)完整率為96.6%,兩臺(tái)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置的數(shù)據(jù)完整性也均達(dá)到93%以上(表2),符合文獻(xiàn)[7]中關(guān)于測(cè)風(fēng)有效數(shù)據(jù)完整率應(yīng)達(dá)到90%的要求。

表2 測(cè)風(fēng)設(shè)備觀測(cè)完整率表Table 2 Data integrity rate of the Fraunhofer I WES Buoys and the wind tower

4.2 合理性

根據(jù)文獻(xiàn)[7],選取風(fēng)速、風(fēng)向、平均風(fēng)速變化、平均風(fēng)速差值和平均風(fēng)向差值五個(gè)維度,對(duì)各測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)試時(shí)段內(nèi)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性驗(yàn)證,具體見表3。總體來說,本階段固定式測(cè)風(fēng)塔和兩臺(tái)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)均滿足合理性檢驗(yàn)的要求。固定式測(cè)風(fēng)塔在110 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)不合理數(shù)略多,但漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置數(shù)據(jù)在該高度數(shù)據(jù)正常,滿足風(fēng)能資源評(píng)估要求。

表3 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)合理性統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of wind data rationality

4.3 相關(guān)性

去除各測(cè)風(fēng)設(shè)備不合理數(shù)據(jù)后,分別對(duì)各測(cè)風(fēng)設(shè)備不同高度的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。固定式測(cè)風(fēng)塔在不同高度風(fēng)速具有良好的相關(guān)性,且整體各個(gè)通道測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高,數(shù)據(jù)可靠。其中10 m高度與其他高度的風(fēng)速相關(guān)性略低。初步分析,主要是三塔嶼的地表粗糙度對(duì)10 m高度的風(fēng)速造成了一定影響。具體分析結(jié)果見表4和圖4。

表4 固定式測(cè)風(fēng)塔不同高度風(fēng)速相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

圖4 固定式測(cè)風(fēng)塔不同高度風(fēng)速相關(guān)性Fig.4 Correlation bet ween the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置1#不同高度風(fēng)速具有良好的相關(guān)性,各個(gè)通道測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高,數(shù)據(jù)可靠。與固定式測(cè)風(fēng)塔一樣,13 m高度與其他高度的相關(guān)性略低。分析結(jié)果見表5和圖5。

表5 漂浮式雷達(dá)1不同高度風(fēng)速相關(guān)性分析表Table 5 Correlation analysis of t he wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

圖5 漂浮式雷達(dá)1不同高度風(fēng)速相關(guān)性Fig.5 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置2#不同高度風(fēng)速具有良好的相關(guān)性,各個(gè)通道測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高,數(shù)據(jù)可靠。與其他測(cè)風(fēng)設(shè)備的表現(xiàn)一致,13 m高度與其他高度風(fēng)速相關(guān)性略低。分析結(jié)果見表6和圖6。

表6 漂浮式雷達(dá)2不同高度風(fēng)速相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

圖6 漂浮式雷達(dá)2不同高度風(fēng)速相關(guān)性Fig.6 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

通過對(duì)比各測(cè)風(fēng)設(shè)備自身不同高度相關(guān)性情況,可知除10/13 m高度外,其他高度的風(fēng)速相關(guān)性均在0.99左右,說明測(cè)試處高空的風(fēng)速相關(guān)性表現(xiàn)出色,但低空風(fēng)速受地表粗糙度影響較大。通過各測(cè)風(fēng)設(shè)備之間相同高度的相關(guān)性情況比較,可以得出3個(gè)測(cè)風(fēng)設(shè)備的相關(guān)性較高,超過0.95(表7)。

表7 測(cè)試時(shí)段3個(gè)測(cè)風(fēng)設(shè)備相同高度風(fēng)速相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient of the wind speeds measured with t hree devices at different altitudes

4.4 風(fēng)速情況

圖7～圖10為不同高度的10 min平均風(fēng)速過程圖,其中灰色線為固定式測(cè)風(fēng)塔(風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔)所測(cè)風(fēng)速,紅色線為漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置1#所測(cè)風(fēng)速,藍(lán)色線為漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置2#所測(cè)風(fēng)速。通過各測(cè)風(fēng)設(shè)備在測(cè)試時(shí)段所測(cè)的風(fēng)速情況分析,各設(shè)備所測(cè)的10 min平均風(fēng)速在不同高度的趨勢(shì)一致,相對(duì)偏差較小,其中漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置1#所測(cè)的10 min平均風(fēng)速數(shù)據(jù)存在個(gè)別時(shí)段偏低的情況,主要集中在05-13—20和06-24—07-08兩個(gè)時(shí)間段。

圖7 10和13 m高度10 min平均風(fēng)速過程曲線圖Fig.7 10 minutes averaged wind speeds measured at an altit ude of 10 and 13 m

圖8 70 m高度10 min平均風(fēng)速過程曲線圖Fig.8 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 70 m

圖9 90 m高度10 min平均風(fēng)速過程曲線圖Fig.9 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 90 m

圖10 110 m高度10 min平均風(fēng)速過程曲線圖Fig.10 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 110 m

4.5 風(fēng)向情況

對(duì)各測(cè)風(fēng)裝置不同高度風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),各高度的風(fēng)向一致性較好(圖11),特別注意固定式測(cè)風(fēng)塔70 m高度與其他高度似乎存在一定差別,結(jié)合風(fēng)向時(shí)序分析認(rèn)為風(fēng)向數(shù)據(jù)集中在NNE～NE扇區(qū)過渡段,70 m統(tǒng)計(jì)差異是扇區(qū)劃分方式導(dǎo)致,符合實(shí)際。

圖11 不同高度風(fēng)速(m·s-1)風(fēng)向玫瑰圖Fig.11 Rose diagrams of wind speed(m·s-1)and wind direction frequency at different altitudes

4.6 臺(tái)風(fēng)影響

在設(shè)備測(cè)試期間,經(jīng)歷了2018年8號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”。2018-07-04 T20:00,第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”在美國關(guān)島以東洋面生成；07-08T05:00,臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)出現(xiàn)在臺(tái)灣省宜蘭縣東偏南方約1 930 k m的西北太平洋洋面上；07-11 T09:00,臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”在福建連江黃岐半島登陸(與測(cè)試地點(diǎn)直線距離約100 k m),登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有十四級(jí)(42 m/s),中心最低氣壓960 h Pa。綜合考慮臺(tái)風(fēng)中心與測(cè)風(fēng)設(shè)備距離以及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)風(fēng)的影響,繪制臺(tái)風(fēng)生命周期過程中實(shí)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速、湍流與臺(tái)風(fēng)中心與測(cè)風(fēng)設(shè)備距離以及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)序圖進(jìn)行分析。

臺(tái)風(fēng)期間(07-04 T20:00—07-11 T09:00)各設(shè)備實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致。隨著臺(tái)風(fēng)中心至場(chǎng)址距離的減小,測(cè)風(fēng)設(shè)備受到十級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈的影響,實(shí)測(cè)風(fēng)速變化較劇烈,但漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)到的風(fēng)速峰值比島嶼固定式測(cè)風(fēng)塔測(cè)到的峰值小(圖12)；在臺(tái)風(fēng)接近測(cè)風(fēng)設(shè)備的過程中,測(cè)風(fēng)設(shè)備實(shí)測(cè)風(fēng)向受臺(tái)風(fēng)影響出現(xiàn)明顯變化,之后逐漸變化到受臺(tái)風(fēng)影響前的波動(dòng)區(qū)間,測(cè)風(fēng)設(shè)備實(shí)測(cè)風(fēng)向受臺(tái)風(fēng)影響出現(xiàn)明顯變化(圖13)；當(dāng)風(fēng)向出現(xiàn)突變時(shí),漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置湍流強(qiáng)度較穩(wěn)定,固定式測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)變化較大(圖14)。

圖12 臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速對(duì)比Fig.12 Co mparison of wind speeds measured with different devices during typhoon

圖13 臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.13 Co mparison of wind directions measured wit h different devices during typhoon

圖14 臺(tái)風(fēng)期間湍流強(qiáng)度對(duì)比Fig.14 Tur bulence intensity measured wit h different devices during typhoon

5 結(jié) 語

為了驗(yàn)證漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置的性能,通過在與島嶼固定式測(cè)風(fēng)塔在測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的完整性、合理性、相關(guān)性進(jìn)行比對(duì),確認(rèn)了漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置所測(cè)風(fēng)資源數(shù)據(jù)的可靠性。具體結(jié)論如下:

1)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置數(shù)據(jù)完整率超過90%,漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置自身不同高度風(fēng)速具有良好的相關(guān)性,與固定式測(cè)風(fēng)塔在相同高度的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)范圍為0.96～0.98,相關(guān)性高；

2)各測(cè)風(fēng)設(shè)備各高度實(shí)測(cè)風(fēng)速情況基本一致,測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)過程線基本吻合,風(fēng)向一致性較高；

3)漂浮式雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置在2018年8號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”影響期間正常測(cè)風(fēng),比較準(zhǔn)確地記錄了臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的環(huán)境影響,但所測(cè)風(fēng)速峰值比固定式測(cè)風(fēng)塔較小。