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用GIS的无限价值,搭建风电科技的顶峰平台

发布日期:2017-02-22 发表者:gly 浏览次数:50次

201511月的最后两天,在大家刚想把目光聚焦于即将召开的巴黎气候大会时,一场严重的雾霾席卷了中国的大部分地区,各地污染指数频频破表。在北京,无论是根据中国环保部的官方数据还是美国大使馆发表的数据,都是有记录以来最严重的空气污染。

雾霾如今已经不是一个新话题,但确是一个急需要解决的问题。引发雾霾的原因有很多,其中一项根本因素是有害物质的排放。如导致空气质量下降的污染物有二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、可吸入颗粒物、臭氧等。在一些地区,尤其是大城市,工业生产、机动车尾气、建筑施工、冬季取暖烧煤等排放的有害物质难以扩散,引起空气质量显著下降。治理雾霾,发展清洁、安全、低碳、环保的新能源必不可少。

风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富,可开发利用的风能储量约10亿KW,从“十五”开始,中国的并网风电得到迅速发展,测算显示,截至2014年,并网风电总装机达到8910万千瓦,且仍然还有很大的发展空间。如何利用好风资源,解决现实存在的问题,将其价值挖掘到最大化的同时节约建设成本,是风能应用市场最关心的议题。

地理信息技术天生具有数据管理与空间分析的功能,又能为风能应用带来哪些变化?


风力发电缘何成本高

新疆金风科技股份有限公司(“金风科技”)是国内第一、国际领先的风电设备研发及制造企业以及风电整体解决方案提供商。截至2015年11月30日,金风科技全球累计装机台数超过19000台,相当于每年可为社会节约标准煤约1764万吨,减少二氧化碳排放约5293万吨,再造了约2850万立方米森林。与“金风”的对话,可以最直观的了解风能领域目前所面临的问题,找到地理信息应用的突破口。就在金风位于北京亦庄经济技术开发区的办公楼里,记者见到了金风的首席地理信息专家张越博士。他为我们深入浅出的说明了风能发电领域所涉及的各个环节,目前存在的问题及地理信息应用的全面规划,让我们了解到,GIS在风能这个新能源领域,的确大有可为。

风力发电是我国能源领域着重发展的新能源应用之一,但是本身也存在着受地域条件限制、度电成本相对传统能源较高的制约,一定限度阻碍了其发展。张博士介绍了几个方面:一是风电每MW的装机费用相对较高;二是每架风机都有一台发电机,发电机的开发和制造费用增加了成本;三是风力发电设备安装的环境一般在野外和海面,各方面施工费用也比较高;四是风机还要受到自然环境的影响等。这些因素增加了风力发电的成本,影响了其应用与推广。如何节约成本?正是地理信息技术能够做的,如张博士所说:“GIS在风电上是有很大用途的,当然它并不是能够创造价值,而是能够节约成本。”


GIS应用于风力发电的全生命周期

风力发电虽然是专业性非常强的一个领域,但是其过程却相对容易理解一些。张博士浅显易懂的为我们介绍了其全生命周期,同时说明了在哪些环节是GIS能够直接参与应用的。

建风电场的第一步是选址。目前普遍的方法是通过美国发布的中尺度气象数据、气象预报的数据,以及国家气象中心和国家能源局对全国风资源的调查数据,了解哪些区域风的资源比较丰富。比如新疆达坂城地区由于天山的山口通道,形成了很大的“抽风效应”,适合风场建设,之所以能形成这样的效应,和大的地理因素、气象环境都是相关的,因为天山南部是暖湿气流,天山北部是干旱寒区,干湿在山口处就容易形成“抽风效应”。了解到了这些要素、数据,就可以在大范围上确定哪里适合建设风场;然后是找地,即宏观选址,根据环境因素等确定具体风场建设的区域。再通过相应风量、面积等计算,确定装机容量;然后进行微观选址,即确定架设的风机具体位置和场内的排布。以上是风电场建设的整个“选址”步骤,像是一个精准定位的过程。而地理信息技术已经用于城市规划等众多领域的选址分析,如果将其应用于风电场选址领域,通过对中尺度数据、气象数据、测风塔数据等的管理分析并建模,完全可以较好地解决宏观选址的问题。同时,在微观选址领域,风电里面有个概念叫做“地面粗糙度”,即风机要架设附近的地面情况,是草地、岩石还是其他地物,都会影响风资源的分布情况。如果不是平原地区,有一定起伏的地区,还要面临坡度和区域内的山体的问题,就会造成了风的切变,形成了流变,前排风机的尾流对后排风机会产生影响,在风机架设中也应得以考虑,同样可以通过GIS运算分析。

选址确定后,就要开始风电场的具体建设了。即使对风力发电不了解的人,也都看过风机的样子,直观感受就是——大,最高的风机有110米高,叶片60米长,运输时拐弯占地面积大,需要精准地规划路线达到所需的拐弯半径,这就使得风机运输变得不那么容易。如果将风机运输路线分为两部分,一部分是风电场外运输,一部分是风电场内运输。场外部分如何选择合理的已有道路,GIS是很好的一个工具,可以合理规划;场内部分,由于风资源较好的区域常常在偏远的戈壁、甚至山区等,本就没有路,在路线建设上,也需要搭建三维可视化模型,更好地规划和设计场内道路,这GIS同样可以很好地胜任。

在风电场投入运营后,风机的运行维护同样是一项重要的工作。因为风机产生的能量是有限的,如果叶片上有任何问题都会影响风能使用,所以一旦叶片有瑕疵,在风机20年保证的运行周期里将会产生不可忽视的影响。能够影响风机运行,对叶片造成损害,造成风机故障的,正是风电场的地形与环境因素。比如设计时,风是从正面吹来的,但由于有山坡的存在,风向可能会发生改变,造成叶片的一定程度的偏扭,长期的话可使轴承受损,产生故障,寿命下降。而GIS可以对风向环流进行监测,减少故障率,保证风机安全运行。

总之,无论是从风电场前期选址,到中间建设,再到后期运维,都可以利用地理信息技术,快捷、高效、精准的完成各项相关任务。

 

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风电场开发项目建设过程

 

建设金风科技地理信息系统大数据平台

之前在澳大利亚从事多年地理信息技术科研工作的张越博士,在地理信息应用领域有着丰富的实践经验,对于将地理信息技术应用到金风科技的风能业务当中更是信心满满。经过很长一段时间的调研,他坚定的认为,GIS不但可以运用到风电项目的选址、运输、运维等过程中,如果将与“风”相关的各项数据管理起来,贯穿大数据的技术和云计算,更将大有可为。他介绍说,“目前我们已经在金风自己建设的一些风场的运输环节运用了GIS,取得了良好的效果,节约了运输成本。未来,我们将建设金风科技地理信息系统大数据平台,把金风目前运行的19000台风机的位置数据,所处的风场的所有地形数据全部组织起来,包括测风塔数据、历史的中尺度气象数据以及其他的地理数据等等,通过平台建立模型,进行空间分析,这样我们可以很好的判断哪些风机运转良好,它们所处的地形环境如何,哪些风机运转困难,它们所处的地形又是怎样,这样产生的一系列结果,将对金风风电场整体运行产生重要辅助决策作用。”

当然,GIS技术也不会是孤立运行的,在风电领域,也需要融合其他技术,比如可以利用无人机做选址和路线规划,引进航测技术,既有DOM数据,又有DEM数据,形成可视化的三维立体模型,这就是典型的技术融合的例子,共同推动风电领域发展。

 

风能是新能源中的一个重要组成部分,在中国,可以形成产业的新能源还包括水能(主要指小型水电站)、生物质能、太阳能、地热能等,都是可循环利用的清洁能源。中国未来新能源发展的战略中显示,将在2020年前,实现大批新能源技术达到商业化水平,新能源占一次能源总量的18%以上。到2050年,全面实现新能源的商业化,大规模替代化石能源,能源消费总量中达到30%以上。实现习近平主席在巴黎气候大会上向全世界提出的庄严承诺,即截至2030年中国的排放总之将达到峰值,并在以后的年份里逐年下降。在新能源领域里,GIS所具有的空间分析功能,将会助其在新能源领域开拓出一片广阔天地。

 张越:博士,教授级高级工程师,金风科技股份有限公司研发中心地理信息和大数据平台专家。