國內(nèi)外海上風(fēng)能資源研究進展*

鄭崇偉,胡秋良,蘇 勤,楊 艷(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101;2.9258部隊氣象臺 大連 11601; .海軍北海艦隊海洋水文氣象中心 青島 26600;.海洋出版社 北京 100081)

國內(nèi)外海上風(fēng)能資源研究進展*

鄭崇偉1,2,胡秋良3,蘇 勤4,楊 艷4
(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101;2.92538部隊氣象臺 大連 116041; 3.海軍北海艦隊海洋水文氣象中心 青島 266003;4.海洋出版社 北京 100081)

隨著人類社會的不斷發(fā)展,對能源的需求迅猛增加,資源危機日益嚴峻,許多國家將目光聚焦新能源,尤其是清潔的風(fēng)能資源。目前,陸上風(fēng)能的開發(fā)已逐步走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?但受地域限制嚴重,而海上風(fēng)能較陸地具有更為明顯的優(yōu)勢,但海上風(fēng)能只是在少數(shù)歐洲國家較為成熟,文章就國內(nèi)外海上風(fēng)能資源的研究現(xiàn)狀展開討論,以期為海上風(fēng)力發(fā)電、海水淡化等風(fēng)能資源開發(fā)工作提供參考,緩解能源危機、環(huán)境危機,為促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

能源危機;海上風(fēng)能;研究現(xiàn)狀;風(fēng)力發(fā)電;海水淡化

隨著人類社會的不斷發(fā)展,對能源的需求也迅猛增加,資源危機往往還會造成環(huán)境危機,甚至嚴重的武裝沖突。近年來,美國不斷針對一些國家展開的軍事行動,歸根結(jié)底就是為爭奪世界霸主地位,很大程度上也是為了掠奪能源而進行的戰(zhàn)爭。在煤、石油等常規(guī)能源日益緊缺的當今世界,包括中國在內(nèi)的諸多國家普遍提倡應(yīng)用清潔能源,節(jié)能減排,各種清潔能源成為諸多國家和地區(qū)關(guān)注的焦點[1-3]。目前,太陽能和陸上風(fēng)能的開發(fā)利用已逐步走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?但受資源地域限制嚴重[4-5];核能能夠提供巨大的能量,但對人類存在較大的潛在威脅,如2011年3月日本海嘯引起的核泄漏、1986年4月蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站由于操作失誤發(fā)生核泄漏,均造成了嚴重危害[6-7];海上風(fēng)能具有安全、無污染、可再生、儲量大、分布廣、不占用陸地資源等優(yōu)點[8-9],風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能資源開發(fā)利用的主要方式,除此之外還廣泛應(yīng)用于船舶助航、提水、灌溉、風(fēng)力致熱等工程[10-11],目前陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已較成熟,但海上風(fēng)力發(fā)電只是在少數(shù)歐洲國家較為成熟[12-13],我國的海上風(fēng)能開發(fā)尚屬于初級階段[14],且風(fēng)能資源的分布具有很強的區(qū)域性差異,中國風(fēng)能南北差異、沿海與內(nèi)地的差異都是很大的。因此,我國大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電的基本原則就是 “資源評價和規(guī)劃先行”,做好風(fēng)能資源評估,在風(fēng)能資源詳查的基礎(chǔ)上,制定風(fēng)電發(fā)展和電網(wǎng)配套建設(shè)規(guī)劃,實現(xiàn)風(fēng)能資源的有序開發(fā)和利用。

1 海上風(fēng)能的優(yōu)勢

與陸上風(fēng)能相比,海上風(fēng)能具有以下優(yōu)勢[15-16]:① 海上風(fēng)力資源豐富,比陸地風(fēng)力發(fā)電量大。通常離岸10 km的海表風(fēng)速比沿岸陸地大25%左右,且受環(huán)境影響小,可利用風(fēng)力資源為陸上3倍[17],更有利于風(fēng)能資源的采集與轉(zhuǎn)換,且海上風(fēng)能資源開發(fā)不需要移民,對人類活動沒有大的干擾,降低了投資成本。②海水表面粗糙度低,海平面摩擦力小,下墊面光滑,風(fēng)速隨高度的變化小,不需要很高的塔架,可降低風(fēng)電機組成本。③ 海上風(fēng)的湍流強度低,風(fēng)作用在風(fēng)電機組上的疲勞載荷減少,從而延長風(fēng)電機組的使用壽命[18-19]。④ 風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)較為成熟,最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展,部分歐洲國家的海上風(fēng)電在2001年以后進入了商業(yè)化階段,技術(shù)將會逐漸完善。⑤ 全球大部分海域的風(fēng)能開發(fā)可利用的風(fēng)速出現(xiàn)頻率基本都在60%以上,也就是說全球大部分海域全年至少有一半的時間可展開風(fēng)力發(fā)電,而太陽能等受白晝的限制,可用時間不會超過50%。

2 國內(nèi)外研究進展

陸上觀測站點較多,而海洋觀測難度大,資料稀缺,前人對陸上風(fēng)能資源評估做了較多工作。1980年美國采用國內(nèi)975個氣象站的地面測風(fēng)資料,繪制了美國風(fēng)能資源分布圖, 1986年又增加了270多個氣象站觀測資料,得到美國的陸上風(fēng)能資源分布圖。丹麥Risoe國家實驗室收集了歐洲12個國家220個氣象站的觀測資料,考慮建筑物的影響,根據(jù)歐洲的地形地表條件,再考慮各氣象站的地表粗糙度,制作了歐洲風(fēng)能密度分布圖。印度能源顧問有限公司采用1987年以來先后設(shè)立的570個測風(fēng)塔的觀測數(shù)值,制作了印度局部區(qū)域 (僅10個省)的風(fēng)能資源分布圖。中國氣象局分別在20世紀80年代和90年代開展了兩次風(fēng)能資源普查,均是采用對氣象站歷史測風(fēng)資料的統(tǒng)計分析方法,最后給出了中國陸上風(fēng)能資源分布圖(圖1)。黃世成等[20]曾利用江蘇省67各臺站1971—2000年的觀測資料,計算了江蘇省的風(fēng)能資源概況,結(jié)果表明:江蘇省大部分地區(qū)的風(fēng)能密度在25～100 W/m2,沿海岸地區(qū)可達100 W/m2以上,如燕尾港為111.2 W/m2,全省風(fēng)能密度最大值在西連島207.7 W/m2。王麗婕等[21]的研究表明利用相空間重構(gòu)的方法對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量進行短時預(yù)測成為可能,為利用非氣象信息進行風(fēng)力發(fā)電容量預(yù)測奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 中國年平均風(fēng)能密度分布圖,單位:W/m2

2.1 國外海上風(fēng)能研究進展

由于受到資料、運算量等問題的限制,目前對海上風(fēng)能的研究較少,且多是在局部小范圍海域、單站展開的研究,尚未實現(xiàn)大范圍海域的研究。國外的海上風(fēng)能資源研究起步相對我國較早,Youm等[22]曾利用觀測資料,分析了塞內(nèi)加爾北部近岸風(fēng)能資源的分布特征,研究發(fā)現(xiàn)該海域的年平均風(fēng)速為3.8 m/s,年平均風(fēng)能密度為158 W/m2。Musial和Butterfield[23]在2004年曾就美國近海的風(fēng)能資源開發(fā)狀況進行了評估,Michael[24]在此基礎(chǔ)上進行深入研究,對美國周邊海域的風(fēng)能資源進行了詳細研究,就風(fēng)電裝置進行了詳細介紹,可為美國近海的風(fēng)能資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù),并統(tǒng)計了美國近岸風(fēng)能資源開發(fā)狀況。

隨著海洋觀測手段的不斷進步,越來越多的衛(wèi)星資料被用于海洋資源等研究[25-28],Charlotte等[29]曾利用合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)反演的海表風(fēng)速資料,對波羅的海的風(fēng)能資源進行研究,將SAR反演的風(fēng)速與觀測資料進行比較,發(fā)現(xiàn)SAR反演的風(fēng)速在波羅的海具有很高的精度,波羅的海的風(fēng)能密度在300～800 W/m2。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Adnimistration,NASA)在2008年利用QuikSCAT衛(wèi)星資料反演的風(fēng)速,繪制了JJA(6-8月) (June,July,August)期間、DJF(12-2月) (December,January,February)期間的全球海域風(fēng)能密度分布圖[30](圖2)JJA期間,南大洋的風(fēng)能密度明顯大于北大洋,北大洋在索馬里附近海域存在有明顯的高值區(qū),這應(yīng)該是由于強勁的西南季風(fēng)所致;DJF期間,北半球的冷空氣強勁,因此該季節(jié)北大洋的風(fēng)能密度明顯大于南大洋,整體來看,即存在冬半球的風(fēng)能密度明顯大于夏半球[31]。

2.2 國內(nèi)海上風(fēng)能研究進展

我國在海上風(fēng)能資源評估方面起步較晚,但進展較為迅速,前人在資料極度缺乏的情況下,對我國局部近岸的波浪能資源做了很多工作和很大貢獻。

圖2 美國NASA繪制的JJA期間、DJF期間的風(fēng)能密度分布圖,單位:W/m2

陳飛等[32]利用連云港市30多年的氣象資料,分析了連云港地區(qū)及其近海的風(fēng)能資源分布特征,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)風(fēng)能資源儲量豐富,風(fēng)速變化穩(wěn)定,有著廣闊的風(fēng)能資源開發(fā)前景。毛慧琴等[33]利用廣東省86個氣象站歷史測風(fēng)資料以及沿海72個風(fēng)能測風(fēng)塔臨時觀測資料,對廣東省及沿海的風(fēng)能資源進行了分析,發(fā)現(xiàn)廣東省風(fēng)能的潛在開發(fā)區(qū)分布于沿海和河口一帶,面積為6 599 km2,理論可開發(fā)量為7.99×103MW,技術(shù)可開發(fā)量為6.27×102MW。龔強等[34]利用實測資料,計算了遼寧沿海地區(qū)的風(fēng)能,結(jié)果表明:遼寧沿海一帶為風(fēng)能資源的豐富區(qū)和較豐富區(qū),遼寧沿海地區(qū)具有大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能資源的潛力。文明章等[35]利用福建省沿海地區(qū)18座測風(fēng)塔70 m高度的觀測資料,分析了福建沿海的風(fēng)能資源。結(jié)果表明,福建沿海地區(qū)風(fēng)能資源儲量豐富,其中福州中南部至泉州南部沿海一帶風(fēng)能資源最為豐富,年有效風(fēng)功率密度在516.7～930.4 W/m2之間,平潭島的風(fēng)功率密度高達930.4 W/m2;此外,位于福建南部的漳浦縣赤湖鎮(zhèn)一帶的風(fēng)能資源也非常豐富,年有效風(fēng)功率密度超過509.9 W/m2。福建沿海地區(qū)年平均有效風(fēng)能時數(shù)為7 837.3 h,其百分率為82.9%。福州中南部至泉州南部沿海一帶應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電等級為 “很好”,其余地區(qū)介于 “較好”和 “好”之間。楊麗芬等[36]曾利用海洋站觀測資料,對龍口的風(fēng)能資源進行分析,結(jié)果表明1995—2008年,龍口10 m處的年平均風(fēng)速為6.8 m/s,年平均風(fēng)能密度為377 W/m2。年平均有效小時數(shù)為7 589 h,主風(fēng)向較為顯著,風(fēng)能分布集中,適宜發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。Lee[37]曾指出,在沿海風(fēng)能開發(fā)的選址過程中,應(yīng)考慮到風(fēng)力、地震、土地使用、海底結(jié)構(gòu)、臺風(fēng)、距離的路段距離、水深等,并對臺灣周邊海域的風(fēng)能資源進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)彰化附近海域適合風(fēng)能資源的開發(fā)利用。Chang[38]曾對臺灣的風(fēng)速特征和風(fēng)能資源進行過分析,發(fā)現(xiàn)臺灣地區(qū)蘊藏著較為豐富的風(fēng)能資源。

隨著數(shù)值模式的快速發(fā)展,越來越多的數(shù)值模式被用于風(fēng)能資源評估。楊艷娟等[39]曾利用中國氣象局開發(fā)的風(fēng)能資源數(shù)值模擬評估系統(tǒng)(Wind Energy Resource Assessment System, WERAS)中的MM5/Calmet模式模擬了天津沿海地區(qū)的較高分辨率(水平分辨率1 km×1 km、垂直分辨率10 m)的風(fēng)能資源分布狀況。結(jié)果表明天津近海海域年平均風(fēng)速在6.6～7.0 m/s,平均風(fēng)功率密度超過340 W/m2,且有效小時數(shù)長,風(fēng)資源狀況較好。周榮衛(wèi)等[40]曾利用MM5/ Calmet模式對我國沿海2009年1—5月的風(fēng)能進行模擬研究,結(jié)果表明我國沿海風(fēng)能資源非常豐富,沿海各地70 m高度的陸上多年平均風(fēng)功率密度基本在200～400 W/m2,附近海域的多年平均風(fēng)功率密度約在300～800 W/m2之間;福建省的風(fēng)能資源特別豐富,其次是遼寧省、浙江省和廣東省,然后是山東省、河北省、天津市和上海市,最后是江蘇省、海南省和廣西壯族自治區(qū)。邢旭煌等[41]利用加拿大環(huán)境部氣象局開發(fā)的風(fēng)能資源模擬軟件(Wind Energy Simulation Toolkit, WEST),對海南省及其近海的風(fēng)能資源分布進行數(shù)值模擬,通過將數(shù)值模擬結(jié)果與海南省沿海8個測風(fēng)塔和18個現(xiàn)有臺站測風(fēng)資料的對比,表明模擬結(jié)果能較好地反映海南省及其近海的風(fēng)能資源分布狀況,采用WEST模擬的海南省及其近海的高分辨率風(fēng)能資源分布,可為海南省風(fēng)能資源的精細化評估和風(fēng)電場的微觀選址提供科學(xué)依據(jù)。董旭光等[42]曾利用MM5/Calmet模式并結(jié)合NCEP/NCAR再分析資料,對2008年山東近海的風(fēng)能資源進行模擬研究,結(jié)果表明,山東黃河口、長島、威海近海區(qū)域平均風(fēng)速超過6.0 m/s,年平均風(fēng)能密度超過225 W/m2,其中威海東部、成山頭沿海達到275 W/m2以上,北部近海和威海東部年有效時數(shù)(逐時平均風(fēng)速在3～25 m/s之間)達到7 400 h以上,南部沿海略低(圖3)。

圖3 山東省10 m高度年風(fēng)能密度參數(shù)模擬結(jié)果

2.3 全球海域風(fēng)能資源評估、等級區(qū)劃

前人的工作對風(fēng)能資源的開發(fā)利用做了很大貢獻,但由于資料等問題的限制,以往多是基于非常有限的觀測資料或模擬資料,在陸上或者近岸局部小范圍海域展開的。Zheng等[43]于2011年在國內(nèi)初次利用具有高精度、長時間序列的多平臺交叉校正(Cross-Calibrated,Multi-Platform, CCMP)風(fēng)場資料[CCMP風(fēng)場明顯優(yōu)于其余風(fēng)場 (表1)。該風(fēng)場在國外被廣泛認可,但國內(nèi)較少使用],計算了整個中國海的風(fēng)能密度,綜合考慮風(fēng)能密度大小、能級頻率、大風(fēng)頻率、有效風(fēng)速、風(fēng)能密度的穩(wěn)定性等各方面,依據(jù)風(fēng)能資源等級區(qū)劃標準,首次實現(xiàn)了整個中國海的風(fēng)能資源等級區(qū)劃,研究表明:我國大部分海域蘊藏著較為豐富、適宜開發(fā)的風(fēng)能資源,其中海上風(fēng)能資源的相對優(yōu)勢區(qū)域分布于呂宋海峽及其西部海域、中南半島東南海域、臺灣海峽中部,較豐富區(qū)位于南海中部和東海。

鄭崇偉[50]在2011年利用CCMP風(fēng)場,進一步計算了全球海域的風(fēng)能密度 (圖4),分析發(fā)現(xiàn):全球海域風(fēng)能密度的大值區(qū)分布于南北半球西風(fēng)帶海域,其中南半球西風(fēng)帶海域的風(fēng)能密度大于北半球西風(fēng)帶海域,由西風(fēng)帶向低緯度海域逐漸遞減,等值線呈東西帶狀分布。南半球西風(fēng)帶海域的風(fēng)能密度基本都在600～1 200 W/m2,高值中心能達到1 400 W/m2以上;北半球西風(fēng)帶的風(fēng)能密度基本都在400 W/m2以上,存在兩個大值區(qū):北太平洋西風(fēng)帶中西部海域,風(fēng)能密度在800 W/m2以上,北大西洋西風(fēng)帶大部分海域的風(fēng)能密度在100 W/m2以上;中低緯海域的風(fēng)能密度基本都在200 W/m2以上,僅在赤道附近小范圍海域低于200 W/m2。中國海大部分海域的風(fēng)能密度基本都在200 W/m2以上。

以往對陸上風(fēng)能資源的研究多能依據(jù)風(fēng)能資源劃分標準,進行等級劃分,由于資料等各種問題的限制,很少有對于全球海域風(fēng)能資源的等級劃分,Zheng等[51]利用1988年1月至2011年12月的CCMP風(fēng)場資料,計算了全球海域的風(fēng)能密度,綜合考慮風(fēng)能密度的季節(jié)特征、能級頻率、有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、大風(fēng)頻率、風(fēng)能密度的穩(wěn)定性 (定量計算了變異系數(shù)、月變化指數(shù)、季節(jié)變化指數(shù))、風(fēng)能逐年和逐季的長期變化趨勢、單位面積的風(fēng)能資源儲量 (包括總儲量、有效儲量、技術(shù)開發(fā)量)等各方面,對整個全球海域的風(fēng)能資源進行系統(tǒng)性研究,并依據(jù)風(fēng)能資源等級區(qū)劃標準,首次實現(xiàn)了整個全球海域風(fēng)能資源的等級區(qū)劃 (圖5)。該研究的實現(xiàn),表明我國在海上風(fēng)能資源評估方面走在了世界前列[52]。研究發(fā)現(xiàn)全球海域蘊藏著豐富的風(fēng)能資源,大部分海域為風(fēng)能資源的富集區(qū),尤其富集在南北半球西風(fēng)帶,風(fēng)能資源的貧乏區(qū)主要分布于赤道附近和兩極零星海域,可利用區(qū)和較豐富區(qū)主要分布于低緯度海域、太平洋東部中低緯近岸海域、兩極大部分海域。

表1 常用風(fēng)場資料對比簡介[44-49]

圖4 鄭崇偉繪制的全球海域風(fēng)能密度分布圖[53](單位:W/m2)

圖5 鄭崇偉繪制的全球海域風(fēng)能資源等級區(qū)劃[53]

2.4 風(fēng)能密度數(shù)值預(yù)報

風(fēng)能資源評估可為選址提供較好的科學(xué)依據(jù)。設(shè)備安裝之后,在風(fēng)能資源的采集過程中,往往更為關(guān)注短期內(nèi)風(fēng)能密度的變化,以便及時對設(shè)備作出相應(yīng)調(diào)整,可能地提高對風(fēng)能的采集、轉(zhuǎn)換效率,這就意味著風(fēng)能密度的短期預(yù)報是很實用的。鄭崇偉等[53]利用NCEP預(yù)報風(fēng)場,對2013年3月中旬發(fā)生在中國海的一次強冷空氣過程進行分析,并利用預(yù)報風(fēng)場計算得到這期間的風(fēng)能密度,實現(xiàn)了 “風(fēng)能密度數(shù)值預(yù)報”,通過與觀測資料對比發(fā)現(xiàn),預(yù)報精度較高,如果得以業(yè)務(wù)化運行,可為我國的風(fēng)能資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

圖6 鄭崇偉等制作的海表風(fēng)場預(yù)報和風(fēng)能密度預(yù)報圖[53]

3 前景與展望

我國在2009年各種能源消耗的總量 (包括可再生能源),相當于22.52億t原油,首次超美國成為世界第一大能源消耗國。我國沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)占全國70%左右,但也是我國的電力負荷中心,用電量占全國用電量的50%以上,能源瓶頸已經(jīng)成為制約沿海地區(qū)持續(xù)快速發(fā)展的重要問題,尤其是近年來電力需求十分強勁,為實現(xiàn)沿海地區(qū)電力可持續(xù)發(fā)展,國家采取了 “西電東送”“西氣東輸”、大力開發(fā)核電等新能源的發(fā)展戰(zhàn)略,即便如此,電力供應(yīng)仍有很大的缺口。我國有300萬km2余的海洋國土,島嶼眾多,有居民海島能源十分緊張,這些海島大多遠離大陸,島上電力供給緊張,嚴重制約海島經(jīng)濟和軍事活動。因此,發(fā)揮沿?？稍偕茉吹馁Y源優(yōu)勢,實行海上風(fēng)力發(fā)電、海水淡化,將能有效緩解能源危機、深遠海和邊遠海島的電力危機、淡水危機,具有實用的經(jīng)濟、政治、軍事價值。充分開發(fā)利用海上風(fēng)能資源,可為緩解能源危機、促進人類的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

雖然全球海域風(fēng)能資源等級區(qū)劃已經(jīng)初步實現(xiàn),在未來的資源開發(fā)過程中,還有很多工作需要做,筆者在此有兩點聯(lián)想,希望借此拋磚引玉,使我國的海上風(fēng)能資源開發(fā)事業(yè)百花齊放,加速其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化,緩解能源危機和環(huán)境危機,促進可持續(xù)發(fā)展,走在世界前列。① 可將觀測資料、衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)進行同化,實現(xiàn)重點關(guān)注海域風(fēng)能的精細化模擬研究,為風(fēng)能資源的開發(fā)利用提供精細化科學(xué)指導(dǎo)。② 從單純的氣象預(yù)報,向氣象預(yù)報和風(fēng)能預(yù)報相結(jié)合的轉(zhuǎn)變,為風(fēng)能資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

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國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2012CB957803);公益行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201306026).