寒冷气候风电市场战略研究报告-2023-ZY

寒冷气候风电市场战略研究报告初稿赵毅凝力聚新

合创未来NATIONALINNOVATIONCENTERparEXCELLENCE能源与环保事业部基本情况概述寒冷气候风电市场的定义研发改性趋势与方法寒冷气候风电市场可用的技术手段行业痛点问题与现状覆冰对于风机运行&维护的影响行业参与者分析龙头企业、优势高校、研究所、专利1234机会与建议投资的机会、建议与后续52基本情况概述NATIONALINNOVATIONCENTERparEXCELLENCE1长三角国家技术创新中心寒冷气候风电市场的定义寒冷气候ColdClimate全球近20%的风能资源处于寒冷气候条件结冰过程（PhaseofAnIcingEvent）IEA风电低温气候条件定义IEA结冰等级定义IEAIcingClimatesiteclassification.全球寒冷气候风资源分部地图Globalicingandlowtemperature(inblue)map全球寒冷气候风电市场容量回顾全球寒冷气候风电市场容量预测我国寒冷气候条件风能资源利用中国覆冰（结冰）地域分布寒冷气候下风机结冰行业痛点问题与现状NATIONALINNOVATIONCENTERparEXCELLENCE2长三角国家技术创新中心覆冰对于风机运行&维护的影响风机结冰的影响技术财务安全改变机组振动特性，不平衡，寿命减少等停机，影响功率曲线，增加运行与运维费用噪音增大，甩冰，运行许可结冰导致风机启动性能恶化湖北某风场冬季结冰现象发电量损失甩冰转子叶片不平衡覆冰对风机功率曲线的影响覆冰的厚度达到一个临界点，导致明显的功率损耗。风速(m/s)风机覆冰的危害龙源贵州2021，403台风机停机事件风机甩冰视频研发改性趋势与方法NATIONALINNOVATIONCENTERparEXCELLENCE3长三角国家技术创新中心寒冷气候风电市场可用的技术手段寒冷气候风机技术Vestas寒冷气候风机技术路线覆冰监测技术叶片结冰检测系统，亦即结冰检测技术种类繁多。最常见的是：›

目测›测量环境温度›测量环境温度和湿度›风速计比较›基于机舱的结冰检测器›摄像头系统›通过监测功率曲线的变化实现结冰检测›直接在叶片上进行测量以实现结冰检测除风力发电机发电量的各种因素和安全系数的损耗外，上述解决方案因其测量方法和相关精度也各有不同。因此，市面上形成了两种技术方案：基于机舱的结冰检测系统与叶片上结冰检测系统。覆冰监测技术比较覆冰监测技术路线比较实验byVGBPowerTech覆冰监测技术路线比较实验byVGBPowerTech覆冰监测技术路线比较实验byVGBPowerTech覆冰监测技术路线比较实验byVGBPowerTech覆冰监测技术路线比较实验byVGBPowerTech覆冰监测技术路线比较29结冰监测系统轮毂叶片安装式-直接测量机舱安装式的轮毂叶片安装式-间接测量技术技术方案电容传感器无线技术传感器装与机舱顶部加速度/振动传感器功能结冰停机YesYesYes自动重启Yes,Startingat0m/sNoYes,,Startingat2-3m/s预测性加热算法YesNoNo技术特点传感器安装自粘在叶片外表用螺栓紧固与机舱装在叶片内部轮毂叶片传感器布线无机舱是传感器安装位置前缘机舱距离叶根1/3处传感器数量最少2个/叶片n.a最少1个/叶片需求的最小风速0m/s0m/s2-3m/s是否需求SCADA数据NoNoYes覆冰监测技术路线比较30结冰监测系统轮毂叶片安装式-直接测量机舱安装式的轮毂叶片安装式-间接测量哪些状态被测量？转子叶片结冰YesNoYes设备结冰NoYesNo叶片表面温度YesNoNo安装和其他安装时间低中中维护时间Nonen.an.a是否可改造YesYesYes校准不是必须的不是必须的必须校准时间NoneNonen.a.风机防除冰技术防冰与除冰（Anti-icing&De-icing）被动法（Passive）防冰涂层法（CoatingMethod）主动法（Active）加热法（HeatingMethod）腔体加热（CavityHeating）实体加热（SolidHeating）表面加热（SurfaceHeating）冰块加热（IceHeating）机械法（MechanicalMethod）超声振动除冰（UltrasonicDe-icingMethod）非超声振动除冰（Non-ultrasonicDe-icingMethod）联合法（Mixed）Bladewithout(left)andwith(right)iceprotectionsystem(source:VTT)涂层防冰涂撒防结冰剂：对基材表面涂撒，例如（乙醇、乙烯乙二醇等）降低冰点，其特点是水不在叶片表面结冰，但有效时间短，用量大，对土壤有污染，对路面有腐蚀的可能；涂层除冰：通过在基材表面涂覆防冰涂料，减少冰对基材表面的附着力和表面的覆冰量，再利用风和重力的作用下使冰更容易脱离基材表面．此类方法简单易行、成本低在很多地方可以起到减少冰灾的作用。即便在极端条件下必须采用人工除冰时，因冰对基材表面附着力小，人工除冰的难度也会大大降低，提高工作效率。常用加热除冰方法腔体加热法（HotAirHeating）实体表面加热法（Electro-thermalheating）Enercon的叶片除冰系统Enercon的叶片除冰系统叶片除冰系统的主要任务是当检测到叶片结冰后，把叶片均匀安全地加热到零度以上，从而帮助叶片除掉覆冰。Enercon的方案是这样的，我们直接看图：如图中所示，这个系统分为两部分，一部分是图一中浅红色部分，从接近叶片根部开始铺设的加热板，Electricalheatingpads，另一部分是由伸向叶尖方向的导热管道、接近叶片根部导热管起始位置的空气加热单元，Airheatingelement和叶片根部安装并和加热单元连接的通风机Ventilator。系统组成Enercon的叶片除冰系统叶片内部导热管的安装实图红外成像结果Vestas叶片除冰系统示意Nordex叶片除冰系统叶片除冰电加热系统技改安装示意叶片除冰腔体加热系统技改安装示意风机叶片除冰方法的比较Summaryoficeprotectiontechnologiesforrotorblades技术优势劣势涂层（Coating）成本低、易于实现、无需供电、适用于技改未在风机上验证、未在实验室验证生命周期、没有验证除冰效率腔体加热（HotAir）简单、可靠、验证时间长、受雷击风险小效率低：加热源距离覆冰表面距离远、叶片材料导热系数低实力表面加热（Electro-thermal）除冰效果好：离叶片表面近、只在易结冰部位安装需要考虑在叶片上实现和维修的方案、增加叶片受雷击风险超声除冰（Microwaves）无线、功耗低未在现场验证、实现困难机械除冰（Mechanicalremoval）没有初始投资（按需购买）案例少、对叶片的有潜在损害风险、操作者健康和安全风险结冰条件下风机控制策略优化方案技术明细功率优化（Poweroptimisation）桨距角和尖速比调整，以增加结冰期间的功率输出预防性停机（Preventivestops）在气象结冰期间停止风力发电机，以便在结冰消融后完成后获得更好的功率输出降载（Loadreduction）限功率运行，以保证风机结构性安全除冰系统控制（Controloficeprotectionsystem）SCADA内置的防冰系统控制甩冰风险控制（Icethrowriskmigigation）降低在结冰期间，停机以降低风机周围安全风险西门子歌美飒风机结冰控制策略结冰对风机运行状态的影响风机覆冰等级的定义风机运行监测示意覆冰对风机功率曲线的影响覆冰的厚度达到一个临界点，导致明显的功率损耗。风速(m/s)覆冰对于功率曲线的影响20%maxpowerlossinState

235%lossinState

3InState3B,only10%ofexpectedpoweris

producedIcinglevelsgreaterthan2mmandlessthan10mm覆冰条件下风机载荷TurbineParametersDuring

IcingRotorspeedslowsdownasafunctionofwindspeedas

theicingincreasesBladesbegintopitchata

higherwind

speedInState3B,finepitchhas

movedtoadifferentpitchlevelcomparedtonormal

operationState

3B48InState3B,theturbinecannotgetabove11RPM,andthe

pitchanglehassettledaround2deginsteadof1

degBladeLoadsDuring

IcingBladeloadsgenerally

decreasewithgreater

icingInState3B,allbladesloads

aresignificantlylowerthan

normaloperationLoadsarelowersincetheturbineproduceslowerpowerduringicingState

3B49ShaftBendingLoadsDuring

IcingShaftbendingloadsdecreaseduring

icingThisisduetodecreaseinturbinepoweroutputduring

icing50LoadsVarywithIce

ThicknessBladesloadsdecrease

withmoderate

icingShaftbendingloadsdecreasedramatically

withmoderate

icingInheavyicing(State3B),loadsarefurther

reduced51行业参与者分析NATIONALINNOVATIONCENTERparEXCELLENCE4长三角国家技术创新中心龙头企业、优势高校、研究所、专利国际能源署研究项目：IEAWindTask19国际学术会议：Winterwind国外研究机构VTTTechnicalResearchCentreonFinlandLtdDTUWindEnergy,DenmarkFraunhoferIWES,GermanyVindteknikkAS,NorwayWindREN,SwedenVattenfall,SwedenMeteotest,SwitzerlandDNVGL,UnitedKingdomEnergiewerkstattVerein,AustriaNergica,CanadaKjellerVindteknikk,NorwayVGBPowerTech,Germany

覆冰监测国外厂商序号覆冰监厂商技术路线描述应用效果1HoloOpticsT40series利用红外信号的反射来探测垂直圆柱形探头上的冰。当检测到冰时，探头被加热，直到信号恢复正常能检测到气象结冰和结冰速率2IceMonitor(ISOCylinder)根据ISO12494，在一个自由旋转的圆柱体上测量覆冰的重量（直径30mm,长度0.5m）能检测到气象结冰、设备结冰、结冰速率和结冰严重层度3PMSIcemeter在一个固定的垂直向下的圆柱体上测量覆冰的重量（直径30mm,长度0.5m），也可提供空气温度、湿度、风速和风向能检测到气象结冰、设备结冰、结冰速率和结冰严重层度4Heatedversusunheatedanemometerorwindvanes通过比较加热和未加热的风速计或风向标的读数来检测结冰能检测到设备结冰，能并入风机控制5Atmosphericconditions(Temp./Hum/Visibilityetc.)通过测量低温度和高湿度来检测结冰能检测的气象结冰6LabkotecLID/ISD3300IP超声波信号的减弱，用一根振动丝测量，用于结冰形成的指示器，当检测到冰时，导线被加热，直到信号恢复正常。能检测到气象结冰、结冰速率，能并入风机控制7GoodrichCampbellScientific0871LH1,0872F1and0872E3测量振动探头上的超声波信号，观察频率变化，当信号发生变化时表示结冰。当检测到冰时，探头被加热，直到信号恢复正常。能检测到气象结冰、设备结冰，能并入风机控制覆冰监测国外厂商8LeineLindeIPMS(camera+temperature/humidity)监测气象条件，并在达到一定阈值时发出结冰警告。在当地条件，在转子叶片上，可以借助安装的摄像机进行检查。能检测到气象结冰、设备结冰，能并入风机控制9Webcams用相机拍照，结合手动或自动图像分析。能检测到设备结冰10NewAvionicsIceMeisterModel9734-SYSTEM基于红外信号的反射，监测探针表面物质的不透明度和折射。能检测到设备结冰11MeteorologicalConditionsMonitoringSystem(MCMS)用加热探头监测气象条件和冰积速率。能检测到气象结冰、设备结冰、结冰速率和结冰严重层度12SommericedetectorIDS-20探头表面覆冰时阻抗的变化。能检测到气象结冰13Powercurve运行参数的偏差，利用利润功率曲线，结合（风速、转速、功率、桨距角），需要风机控制和运行数据支撑。能检测到叶轮结冰，能并入风机控制覆冰监测国外厂商14Weidmüller(previouslycalledBoschRexrothBladeControl,IGUS)测量特征频率和叶片固有频率的变化，利用粘在叶片内部的压电加速度传感器来探测冰。需要风机控制数据。能检测气象结冰和叶片结冰，能并入风机控制15FOS4Xfos4IceDetection测量特征频率和叶片固有频率的变化，利用粘