海上風(fēng)能資源評估教學(xué)初探

徐經(jīng)緯 徐 敏

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044；2.江蘇省氣象局，江蘇南京210008）

0 引言

我國風(fēng)能資源豐富，據(jù)中國氣象科學(xué)研究院20 世紀(jì)80 年代統(tǒng)計(jì)我國風(fēng)能資源理論總儲量約為32.26 億千瓦，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)利用量約為2.53 億千瓦。[1]風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前可再生能源中僅次于水力發(fā)電的技術(shù)，是最成熟、最具規(guī)模開發(fā)的發(fā)電方式之一。[2]我國風(fēng)能資源豐富，初步估算，全國陸上10 米高度可開發(fā)裝機(jī)容量約2.5 億千瓦（全國風(fēng)能普查第三次評估報(bào)告），主要位于“三北”地區(qū)，但由于這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后，風(fēng)電發(fā)展受到一定制約。東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，海上可開發(fā)風(fēng)能資源很豐富， 具有開發(fā)利用風(fēng)電的良好市場條件和巨大資源潛力。世界上對海上風(fēng)電的研究與開發(fā)始于20 世紀(jì)90 年代，經(jīng)過十多年的發(fā)展，海上風(fēng)電技術(shù)正日趨成熟，并開始進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段。

規(guī)劃風(fēng)能資源的開發(fā)利用首先需要了解可利用風(fēng)能資源的位置、儲量和覆蓋面積，風(fēng)電場的前期建設(shè)需要知道建設(shè)范圍內(nèi)風(fēng)能資源的分布狀況，為風(fēng)機(jī)的布設(shè)提供依據(jù)。 因此制作中國近海風(fēng)能資源分布圖是近海風(fēng)電開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。培養(yǎng)相海上風(fēng)能資源評估的專業(yè)人才也就變得重要起來。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

海上風(fēng)電行業(yè)是一個橫跨海洋、氣象、環(huán)保、工程、機(jī)械、電力電子、自動控制等的綜合行業(yè)。 中國目前的海上風(fēng)電項(xiàng)目有上海東海大橋海上風(fēng)電場和江蘇海上風(fēng)電三峽項(xiàng)目。國外有英國、丹麥、德國等國在近海建立了海上風(fēng)電場。 對于市場上急需的海上風(fēng)電人才，仍然缺少對應(yīng)的較系統(tǒng)科學(xué)的教育方法。只有少數(shù)培訓(xùn)班和一些國外的中短期風(fēng)電講習(xí)班可查。

2 教學(xué)主要內(nèi)容

海上風(fēng)能資源評估是一個綜合問題，是一個系統(tǒng)工程。 所以本文就其中風(fēng)能資源評估方面相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

風(fēng)能資源的關(guān)鍵是掌握風(fēng)速情況， 所以首先需要觀測海面風(fēng)速，海面風(fēng)速觀測一般有兩種：一種，是建立測風(fēng)塔直接觀測；一種，是借助海洋衛(wèi)星遙感觀測。要讓學(xué)生知道海上測風(fēng)塔可以對局地點(diǎn)進(jìn)行長時間連續(xù)觀測，雖然測風(fēng)塔一般選取代表性好的地點(diǎn)，在空間范圍上仍有局限性。 海洋衛(wèi)星遙感可以得到整個面上風(fēng)速的分布情況，但是一般只有一日一次或兩次或一周幾次觀測[3]。所以要結(jié)合兩者的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短。歐洲正在試驗(yàn)新型極光雷達(dá)測風(fēng)，它具有觀測范圍大，安裝較簡易的特點(diǎn)，不過造價昂貴。 海上風(fēng)電項(xiàng)目的貸款審批中主要還是看海上測風(fēng)塔的實(shí)測結(jié)果。

建立海上測風(fēng)塔的高度，塔的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)，選取的儀器，儀器架設(shè)的高度一般都要根據(jù)實(shí)際情況具體確定。 所以對于教學(xué)而言，應(yīng)該通過案例分析讓學(xué)生從典型案例中得到啟發(fā)，以便其掌握其中的方法。

同時評估近海風(fēng)能資源也要考慮以下幾個方面的影響：（1）水下基礎(chǔ)對環(huán)境的影響；（2）風(fēng)機(jī)的噪音和振動對環(huán)境和自身的影響；（3）對水下生物以及鳥類的影響；（4）對視覺和聽覺的影響；（5）對無線電波和雷達(dá)的干擾；（6）對海上航運(yùn)的影響；（7）對漁業(yè)生產(chǎn)的影響；（8）對海域水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響；（9）對區(qū)域海域水文動力的影響；（10）臺風(fēng)對風(fēng)機(jī)的影響；（11）地震海嘯對風(fēng)機(jī)的影響。

在海上風(fēng)能資源評估中的另外一個要素就是對施工天氣窗口的評估，天氣窗口是適合海上作業(yè)施工的時間段。應(yīng)該避開比如大風(fēng)、大霧、海浪或海流較大的天氣。 天氣窗口也是海上風(fēng)場運(yùn)行期間日常維護(hù)日程確定的重要參考依據(jù)。

對于風(fēng)能資源的計(jì)算方法也需要仔細(xì)考慮，目前一般采用數(shù)值模式或者風(fēng)能軟件計(jì)算的方法，對于計(jì)算方案的設(shè)計(jì)，以及模式的選取，模式內(nèi)部參數(shù)的選擇也是需要根據(jù)案例以及實(shí)際工作情況來確定。

由于海上風(fēng)能資源評估過程是一個工程技術(shù)問題， 需要動手能力。在教學(xué)過程中就不光要介紹案例，也需要指導(dǎo)學(xué)生上手操作?？梢越o學(xué)生一些簡單數(shù)據(jù)和軟件如Windpro，讓學(xué)生了解操作流程，熟悉海上風(fēng)能評估要求。 這樣也可以為其以后的工作打下基礎(chǔ)。

此外在近海風(fēng)能資源評估中還需要海洋勘探、海洋工程、海洋觀測、電網(wǎng)等方面的數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

我國高校擁有較強(qiáng)的風(fēng)電科研基礎(chǔ)，其中很多專家都有其它行業(yè)如電機(jī)、機(jī)械和電氣等專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)或研究經(jīng)驗(yàn)。 他們擁有交叉多學(xué)科的理論知識，可以通過摸索學(xué)習(xí)，與國際同行進(jìn)行人才交流、技術(shù)合作。海上風(fēng)能由于其是風(fēng)能新興發(fā)展方向，在國內(nèi)國際上都倍受關(guān)注，相對于學(xué)生教育還略顯不足。 由于海上風(fēng)能具有其多學(xué)科綜合性和學(xué)科交叉性的特點(diǎn)， 實(shí)際工作中受到外界環(huán)境的影響顯著。所以在教學(xué)過程中，應(yīng)該具體問題具體分析。在教學(xué)方法上采取，個例分析為主，結(jié)合歸納的方法。

4 展望與建議

由于煤炭、石油和天然氣等碳密集型化石能源的日益減少，以及此類能源消費(fèi)所帶來的環(huán)境問題。風(fēng)能尤其是海上風(fēng)能作為新能源將在能源結(jié)構(gòu)中被加重比例，國家與企業(yè)對海上風(fēng)能的大力投入，使海上風(fēng)能資源評估人才的培養(yǎng)迫在眉睫。國家和高校應(yīng)加強(qiáng)海上風(fēng)電教育，加大產(chǎn)學(xué)研方面的投入，才能培養(yǎng)出合格的風(fēng)能尤其是海上風(fēng)能人才，滿足日益增長的人才需求。

風(fēng)能尤其是海上風(fēng)能的復(fù)雜性， 首先應(yīng)建立一套完整的培養(yǎng)體系，這包括初、中、高級人才梯隊(duì)。建設(shè)好相關(guān)基礎(chǔ)條件，如海上風(fēng)能資源研究的基礎(chǔ)或者海洋、氣象、電力、機(jī)械、控制等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)。

其次，要加強(qiáng)師資培養(yǎng)，培育出高水平的師資團(tuán)隊(duì)，采取從國外引進(jìn)來和國內(nèi)走出去的辦法，鼓勵教師參與國際技術(shù)交流。再次，推進(jìn)海上風(fēng)能資源走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路。如德國成立的風(fēng)能研究團(tuán)體，把大學(xué)、研究所和公司有效結(jié)合，達(dá)到研究、教育、開發(fā)和生產(chǎn)相結(jié)合，提高高校風(fēng)能綜合應(yīng)用的針對性。

最后，可以加強(qiáng)科研教育投入，可以借鑒美國、丹麥等國的例子。

總之應(yīng)該充分利用好海上風(fēng)能大發(fā)展的有利時機(jī)，加速發(fā)展風(fēng)電教育，發(fā)揮高校教育作用，為風(fēng)電行業(yè)培育合格人才。

［1］薛桁;朱瑞兆;楊振斌;袁春紅.中國風(fēng)能資源貯量估算[J].太陽能學(xué)報(bào),2001(02).

［2］徐經(jīng)緯.衛(wèi)星資料與數(shù)值模式在中國近海風(fēng)能資源評估中的應(yīng)用研究[D].南京信息工程大學(xué),2009.

［3］Jingwei Xu, Yong Luo, Xiuzhi Zhang, and Rong Zhu.China Offshore Wind Energy Resources Assessment with the QuikSCAT Data.Proc [J]. SPIE proceeding 7105, 71050B,2008.