Нужны ли нам по-прежнему метеомачты?

В мире: Устройства дистанционного зондирования обходятся дешевле в установке и эксплуатации, а также обеспечивают более эффективный сбор данных, чем привычные метеомачты, но поскольку их всё чаще используют на оффшорных проектах, возможность привлечения финансирования остаётся насущным вопросом, особенно в условиях сложного рельефа местности. 

Девелоперы ветропарков и эксплуатирующие компании, «которые будут не в состоянии применить экспертные знания и опыт и извлечь пользу из ультрасовременных технологий дистанционного ветромониторинга, вскоре окажутся далеко позади». Консалтинговая фирма «Vaisala» приводит именно этот аргумент в своём последнем докладе под названием «Революция в дистанционном ветромониторинге». Паскаль Сторк, директор «Vaisala» по возобновляемым источникам энергии, и вовсе заявляет в открытую, что «метеомачтам место в музее. Пусть, не сейчас, но скоро они там окажутся». Как привычные нам метеомачты, так и устройства дистанционного зондирования (ДЗ) (Лидар и Содар (англ. light/sonic detection and ranging – обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света/звука), которые могут иметь наземное основание, либо – установлены на гондоле ветровой турбины) обладают своими преимуществами и недостатками. Также следует заметить, что к ДЗ относится широкий спектр технологий, каждая из которых имеет уникальный набор показателей. Учитывая вышесказанное, существуют общие замечания, предъявляемые к ДЗ и к метеомачтам. Следует особо подчеркнуть широкое распространение метеомачт с установленными анемометрами чашечного типа в ветроэнергетике и накопленный опыт их эксплуатации, что в сумме обеспечивает возможность оперативного контроля, сопоставимость вплоть до стандартной модели и т.о. повышает доверие инвесторов. «Вся ветроэнергетика основана на опыте использования метеомачт», – отмечает Майкл Фишер, старший руководитель производственного направления «NRG Systems» (член РАВИ).

С другой стороны, для постройки метеомачт требуется разрешение на строительство на отведённых участках, получение которого может занять несколько месяцев. Также мачты уязвимы для молний и подвержены риску возникновения механических повреждений. Кроме того, они хорошо видимы конкурентам. Среди прочих проблем стоит указать, что в условиях порывистого ветра скорость вращения анемометра чашечного типа может превысить допустимую; он также может прекратить работать в условиях сильного обледенения, а наличие «ветряной тени» может оказать влияние на его эффективность.

Преимущества и недостатки… Сильное обледенение представляет угрозу для метеомачт, требуя проведения работ по техобслуживанию на высоте (слева); в то же время устройства Содар (справа) можно переместить, но они не могут измерять температуру, давление и влажность воздуха на высоте оси.

В свою очередь, устройства ДЗ могут покрыться слоем снега, а при определённых атмосферных условиях могут оказаться в аварийном состоянии. Устройства Лидар, к примеру, страдают от малого количества аэрозольных частиц в условиях крайнего севера, в то время как устройствам Содар требуется воздушная турбулентность. Обе указанные технологии нуждаются в надёжном энергообеспечении и на данный момент ни одна из них не в состоянии выполнять измерение температуры, давления и влажности на высоте оси. Помимо этого, в устройствах ДЗ содержатся элементы, подверженные риску возникновения в них механической или электрической неисправности. Как преимущество можно отметить, что устройства ДЗ являются мобильными и их относительно легко установить в одном месте и переместить в другое. Как правило, для них не требуется разрешение, и вся установка занимает один день. Это делает их универсальными в плане разведывания мест потенциальной установки, особенно в удалённых и труднодоступных регионах, что влияет на конечную стоимость.

Анализ стоимости

Прямое сравнение всего спектра различных технологий и доступных возможностей – непростая задача, но, как правило, стоимость приобретения устройств типа Содар, и тем более – Лидар, оказывается выше, чем у метеомачт. Однако, преимуществом устройств ДЗ является гораздо более низкая стоимость их установки, а некоторые из них требуют также меньших расходов по эксплуатации. Покупка и установка стометровой метеомачты в США, к примеру, в среднем обойдётся в 80-130 тыс. долларов (не считая пошлину при получении разрешения), (прим. РАВИ: в России – 30 – 50 тыс. Евро с учетом приборов в зависимости от того, кто берется за дело – большая компания или частная компания-девелопер). Меньшая по высоте 60-метровая наклонная метеомачта может быть установлена за 25-40 тыс. долларов. Аналог 200-метрового Лидар вертикального профилирования обойдётся почти в 175 тыс. долларов, а 120-метровый Содар вертикального профилирования – в 60-70 тыс. долларов. Стоимость технического обслуживания очень сильно разнится, особенно в случаях, когда для его проведения требуется отправить установку на завод-изготовитель, тем не менее некоторые из установок могут быть осмотрены и отремонтированы на месте. Разница в цене становится совершенно очевидной при возмещении страховых убытков. Устройства ДЗ могут быть похищены, им может быть нанесён ущерб в условиях погодных катаклизмов, но, по заявлениям страховой компании «GCube», риски в целом «представляется более целесообразным смягчить… и не доводить до возникновения значительных убытков». Метеомачты же, с другой стороны, «традиционно теряют деньги страховщиков», – заявляет Жатин Шарма, директор по развитию деятельности компании. Согласно информации от «GCube», страховые требования обычно составляют от 12 до 140 тыс. долларов, начиная от обледенения и ущерба от снега и заканчивая обрушением опоры в результате воздействия штормовых ветров или ошибки, допущенной при установке. При работе на высоте может произойти авария, а сами метеомачты представляют из себя лёгкую добычу для вандалов (Прим.РАВИ: по информации компании Активити, случаев хищения или намеренного разрушения метеомачт отмечено не было). Ожидание возобновления работы замерзшей мачты может обернуться дорогостоящими задержками. Шарма также указывает, что в случае с мачтами, использующимися на удалении от берега на оффшорных проектах, страховые требования могут достигать значительно более высоких значений вплоть до 1.5 млн. евро (1.9 млн. долларов).

Но цены – это ещё не всё, как считает Алистер Марсден, директор по сбыту и маркетингу консультационной фирмы «Dulas», также занимающейся разработкой ветропарков. Он заявляет, что разработчики должны учитывать долгосрочные преимущества и держать в приоритете отдачу от подобных проектов, нежели экономию на стоимости в ближнесрочной перспективе. Технологию необходимо подбирать соответственно условиям месторасположения объекта и ожидаемым результатам. Существует множество различных вариантов – сочетания опор и устройств ДЗ, аренды и срока размещения – в зависимости от типа проводимых мероприятий и от желаемой точности получаемых данных. Марсден особо подчёркивает, что «самое экономичное решение – не всегда лучшее».

Обширный набор данных

Устройства ДЗ обладают значительным преимуществом при получении данных о ветре на высоте от 200 метров и выше. С увеличением высоты турбин стоимость строительства метеомачт на высоте оси становится чрезмерно дорогим, получение разрешения также сильно усложняется. В то же время использование меньших по высоте мачт (обычно 60-80 метров в высоту) означает необходимость экстраполирования (прогнозирования, переноса) данных на высоту оси, что ведёт к росту погрешностей. Устройства ДЗ не только фиксируют скорость ветра и сдвиг на разных высотах, но также измеряют по всей плоскости ометания ротора, что даёт разработчикам более широкое представление о ветровой обстановке. Этот более обширный набор данных является одним из основных преимуществ устройств ДЗ. Ввиду того, что их можно свободно перемещать на местности, они дают лучшую оценку пространства. «Более того, с помощью современного устройства ДЗ можно воспользоваться таким достижением, как современная обработка сигналов, что позволяет выявить погрешности в каждом измерении – заветная цель в вопросах привлечения финансирования», – говорит Сторк.

Но возможность привлечения финансирования – это болезненный вопрос, когда речь заходит об устройствах ДЗ; инвесторы неохотно принимают данные оценки ветровых ресурсов, полученные отдельными установками несмотря на то, что «Vaisala» и другие производители указывают на результат как внутренних, так и независимых испытаний, подтверждающих, что устройства ДЗ не менее точны, чем метеомачты. И тем не менее, на данный момент метеомачты остаются признанным эталоном, и многие разработчики комбинируют мачты и устройства ДЗ, устанавливая их в избытке с тем, чтобы перестраховаться перед банками. С целью обеспечения достоверности измерений «технология должна быть корректно применена, мероприятия по измерениям должны быть выполнены в соответствии с передовым опытом в отрасли, включая в себя поверку устройств ДЗ на месте, а также возможности самой технологии должны отвечать её месторасположению и комплексу мероприятий, в которых она будет задействована», – акцентирует Риза Декстер, старший специалист по энергоэффективности компании «DNV GL». Развитие и принятие технологии – это также вопрос времени. Майкл Фишер («NRG Systems») полагает, что: «Всё сводится к промышленной эксплуатации и подтверждённой надёжности дистанционного зондирования». Он также добавляет: «Устройства ДЗ – это очень надёжное и действенное решение; инвесторы получают всё, что требуется, если использовать ДЗ нужным образом».

В то время как в отрасль поступает всё больше проектного финансирования, полученного за счёт хорошо продуманных контрольно-измерительных мероприятий, проведённых в обычных условиях с использованием должным образом проверенных автономных устройств ДЗ, сложный ландшафт представляет из себя соответственно и более сложную задачу. «В показаниях нынешнего поколения [устройств] видно отклонение, в случае если поток ветра обладает завихрениями», – поясняет Сторк, хотя это может быть сведено на нет путём использования гидродинамического моделирования с целью введения поправки. Для решения задачи «Vaisala» совместно с другими производителями – «Leosphere», «NRG Systems» и «Zephir» разрабатывает протокол для использования устройств ДЗ в условиях сложных ландшафтов. В «Vaisala» считают, что «дальнейшие исследования, призванные продемонстрировать потенциал использования устройств ДЗ в качестве автономных, внесут большой вклад в обеспечение и поддержание прогресса». Доступность формализованных отраслевых рекомендаций по использованию инструментов ДЗ в контрольно-измерительных мероприятиях также призвана служить задаче гарантированного получения доходов из данных, вследствие принятия стандарта Международной электротехнической комиссии (МЭК) по определению энергоэффективности (см. ниже).

Приемлемость использования в море

Тем временем, устройства Лидар активно замещают метеомачты, использующиеся в море, учитывая рентабельность компании по оценке ветровых ресурсов, разумеется, с учётом того, что установка оборудования произведена должным образом. Всё сводится к цене: в Европе стоимость установки морской метеомачты составляет 10-12 млн. евро (12-15 млн. долларов). Устройства Лидар могут быть установлены на уже имеющиеся платформы или буи, что обходится дешевле. Весь комплекс контрольно-измерительных мероприятий, проведённых с помощью устройств Лидар «WindCube» компании «Leosphere» для оффшорного проекта «Beatrice» мощностью 558 МВт, стоит менее 2% общей суммы установки одной мачты, сообщает фирма-разработчик «Scottish & Southern Energy». И действительно, плавучие устройства Лидар становятся «устоявшейся альтернативой в ходе проведения кампаний по разведке ветроресурсов», – считает Джулиан Харланд, директор по сбыту компании «Eolos», которая собирается позднее в текущем году развернуть плавучий Лидар, содержащий в себе устройство Zephir 300M, с целью оценки ветроэнергетического потенциала до 1 ГВт в Балтийском море. По мнению Харланда, ключевыми факторами, подкрепляющими использование плавучих Лидар’ов, являются «уже достигнутый объём их развёртывания и успешно завершённые с их помощью кампании по разведке; «критическая масса» узнаваемости в отрасли достигнута»; кроме того, это «значительно более низкие капитальные затраты», особенно по мере того, как проекты охватывают всё более удалённые от берега районы. «Любое внедрение новой технологии не обходится без послужного списка, призванного убедить большое число акционеров и, впоследствии, инвесторов, в том, что она будет приносить доход. К счастью, отрасль развивается в этом направлении и довольно быстро».

Использование в море таких плавучих ДЗ-устройств, как Eolos FLS200 с установленным Zephir 300 lidar (слева), вместо метеомачт (справа) становится всё более популярным.

Универсальность

Что касается прибрежного применения, отрасль быстро приближается к использованию устройств ДЗ, в полной мере пользуясь потенциалом их применения в части первоначальной разведки будущей площадки путём контроля и оптимизации. Ввиду того, что это оборудование можно с лёгкостью переместить, открывается эффективный и малозатратный способ оценки площадки до момента принятия решения о том, следует ли приступать к следующей стадии. Также, кроме прочего, оно может оказаться полезным при микросайтинге, планировании ветряной электростанции и выборе турбин. Тем не менее, одним из самых перспективных применений является оптимизация производства электроэнергии и т.о. доходов от уже существующих ветроэлектростанций. Всё вновь сводится к мобильности и простоте в установке. К примеру, устройство можно перемещать таким образом по площадке, чтобы добиться достоверных данных о результате работы и предсказать возможные расходы на техобслуживание конкретных турбин. «Заказчики постоянно проводят испытания энергоэффективности своего парка, чтобы убедиться, что всё в порядке», – сообщает Сторк. Даже если данные испытания не удовлетворяют стандартам МЭК, «они всё равно могут дать сведения о том, приемлема ли работа турбины». В случае отрицательного результата исполнители могут принять меры по устранению причин, либо решиться на установку метеомачты или датчика телемертии, соответствующего стандартам МЭК, и предпринять тест, полностью соответствующий вышеупомянутым стандартам, с целью подтвердить погрешность турбины. Кроме того, «только представьте себе возможности, которые открываются, имей Вы на руках несколько датчиков телеметрии, установленных на ветроэлектростанции, с помощью которых можно постоянно отслеживать производительность, диагностировать проблемы и оптимизировать выработку», – добавляет Сторк. Наземные и смонтированные на гондолах ветровых турбин установки могут быть использованы для измерения влияния попутного потока, отклонения движения рыскания и других коэффициентов потерь, а также осуществлять контроль состояния. «Применение как Лидар’ов, так и Содар’ов показывает значительные успехи, в первую очередь в плане оптимизации площадок», – признаёт Алистер Марсден из компании «Dulas» со ссылкой на профилактическое обслуживание и интеграцию ДЗ, позволяющие верифицировать кривую мощности ветротурбины.  Он добавляет, что существуют возможности привязки Интернета вещей к прогнозированию данных о ветре и энергоэффективности турбины для оптимизации работы ветроэлектростанций. Сканирующий Лидар – это ещё одна «более чем многообещающая» разработка, которая предоставит доступ к информации, которую раньше невозможно было получить. Эти гибко автоматизированные устройства можно настроить таким образом, чтобы составить 3-мерную карту ветров, измерив ветровой поток во всех направлениях от устройства в отличие от чисто вертикального профиля, что позволит получить данные о целой площадке, даже на удалении в десять километров. (Прим. РАВИ : данная система дистанционного прогнозирования использована на ветрогенераторе компании ELEON (член РАВИ). Всё это объясняет, почему всё большее число разработчиков и эксплуатирующих организаций принимают устройства ДЗ на вооружение, а также расширяют их использование в образцах своей проектной деятельности. В качестве показателя может послужить «Vaisala», по сообщениям Сторка, продавшая 1000 устройств и накопившая 20 миллионов часов данных по всему миру, в то время как системы Лидар также принимаются в сопоставимых масштабах.

Конкурентные преимущества

Возможно, это также объясняет, почему некоторые лидирующие компании неохотно раскрывают детали использования устройств ДЗ. В «Vaisala» сообщают, что многие из их крупных клиентов разместили Triton’ы в своих измерительных комплексах, добавив и метеомачты. «Многие клиенты не всегда хотят публиковать данные об использовании Triton’ов, с тем чтобы их конкурентные преимущества оставались таковыми как можно дольше», – поясняет Сторк. Сторк также считает, что в будущем устройства ДЗ больше не будут нуждаться в проверке работоспособности с оглядкой на метеомачты, поскольку следующее поколение теледачтиков «будет обладать такими возможностями в части сбора и обработки информации, которые можно будет обрабатывать в передовых алгоритмах, что доведёт качество измерений по сравнению с метеомачтой до такого уровня, что последняя станет достоянием прошлого». Что совершенно не означает, что метеомачтам больше не найдётся места, по крайней мере в обозримом будущем. «Мобильность часто рассматривается как преимущество, но ведь и в долговечности есть своя ценность», – настаивает Фишер. «На данный момент преобладает точка зрения, заключающаяся в том, чтобы комбинировать использование невысоких метеоматч с телеметрическими датчиками». Если владелец устройства будет держать его на одном и том же месте в течение одного-двух лет, преимущества использования ДЗ снижаются. Фишер полагает, что, если требуется многолетний ряд наблюдений, тогда самое логичное решение – это короткая метеомачта, погрешности экстраполирования измерений на которой компенсируются использованием теледатчика. Тем не менее, не существует сомнений в том, что использование устройств ДЗ будет только расти. И рынок, как подчёркивает Сторк, возможно, уже подходит к переломному моменту, когда основание для повсеместного принятия на вооружение и всё большего одобрения со стороны финансовых институтов уже налицо. «Разработчики и эксплуатирующие компании, которые объединят использование технологий, осознают коммерческую выгоду от уменьшения сроков оценки, стоимости разработки, возросшую эффективность измерительной кампании и достигнут лучшего понимания ветровых ресурсов как таковых» – резюмирует «Vaisala» в своём докладе.

Международные стандарты

В 2017г. Международная электротехническая комиссия опубликовала долгожданное руководство по использованию теледатчиков в ходе испытаний энергоэффективности ветроустановок, отражающее сложности, связанные с увеличением высоты осей турбин и размеров ветроколеса. Впервые за всё время владельцы турбин получили официальные правила использования наземных устройств ДЗ, но только для функций контроля и в связке с невысокой метеомачтой, плюс к этому только в условиях простого, равнинного рельефа местности. Стандарты также вводят понятие «ротор-эквивалентной скорости ветра», которое отражает влияние изменения направления и скорости ветра на энергоэффективность турбины. Несмотря на то, что отрасль в целом приветствовала появление стандартов, не обошлось и без критики. Некоторые считают, что введение новой системы измерений приведёт к одновременному росту цен и погрешностей. Другие, например, Паскаль Сторк из «Vaisala», считают, что руководство «необоснованно консервативно», поскольку задачи устройств ДЗ, тесно связанных с метеомачтами, свелись к устранению погрешностей. Сторк в результате высказался следующим образом: «Согласно руководству, устройство ДЗ никогда не будет настолько же точно измерять, как метеомачта». Появление стандарта для использования теледатчиков в ходе испытаний по энергоэффективности ветроустановок вызвало недовольство по поводу отсутствия подобных указаний по использованию устройств ДЗ в других сферах, особенно в плане оценки ветровых ресурсов. В «Vaisala» обеспокоены тем, что это создаёт неопределённость в том, могут ли данные, полученные от использования теледатчиков, быть использованы в проектном финансировании. Тем не менее, новый стандарт для оценки ветровых ресурсов, анализа выработки электроэнергии, а также оценки пригодности морских и прибрежных площадок находится в стадии разработки. Если всё пойдёт, как задумано, он должен быть опубликован в 2019г. Несмотря на то, что детали всё ещё не известны, Сторк заявляет, что «наиболее важным аспектом будет являться то, будет ли стандарт содержать в себе надёжный метод определения истинной погрешности устройств ДЗ, а не нести слишком консервативную оценку».

1 марта 2018г., автор: Jan Dodd Источник WindPower Monthly


Подпишитесь на нашу [рассылку].
Или на наш [еженедельный дайджест] рассылки.

Или подключитесь к нашему [каналу] в Telegram.