風(fēng)能資源數(shù)值模擬及其在中國風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用研究

劉東海

摘 要：風(fēng)能資源是一項(xiàng)可再生的環(huán)保資源，具有非常大的開發(fā)潛力。本文對風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)做了簡單的介紹，分析了風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)在我國各個(gè)風(fēng)能資源豐富地帶的應(yīng)用，將我國風(fēng)能資源數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測資料進(jìn)行了對比研究，對我國未來風(fēng)能資源的開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能資源；數(shù)值模擬；風(fēng)能資源評(píng)估；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：Tk89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0166-02

1 傳統(tǒng)的風(fēng)能資源評(píng)估方式

傳統(tǒng)的風(fēng)能資源評(píng)估方式是基于氣象站歷年來的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，或者在需要建設(shè)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的地方安裝測風(fēng)塔進(jìn)行一兩年的觀測再進(jìn)行評(píng)估。由于各地氣象站基本處在城郊位置，地形與風(fēng)電場地形差異較大，尤其在我國中部、東部、南部等復(fù)雜地形風(fēng)電場，而地形又對風(fēng)能的影響巨大，僅僅依靠氣象站的觀測數(shù)據(jù)不能真實(shí)反應(yīng)該地區(qū)的風(fēng)能情況，評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性、科學(xué)性以及可靠性不能得到保障。目前，風(fēng)電場的開發(fā)主要利用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)能資源觀測，但需要投資建設(shè)多個(gè)測風(fēng)塔，測風(fēng)塔得出的數(shù)據(jù)周期時(shí)間比較長，通常需要一年至二年，甚至更長時(shí)間才能得出結(jié)論，且代表的區(qū)域范圍有限，對于單個(gè)風(fēng)電場來說，依靠多個(gè)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但對于大區(qū)域的風(fēng)資源模擬及規(guī)劃，需要大量的測風(fēng)塔來作支撐，僅僅依靠測風(fēng)數(shù)據(jù)開展資源評(píng)估工作將極大的降低了風(fēng)能資源的使用效益，造成資源的大量浪費(fèi)，且投資巨大，并不現(xiàn)實(shí)。

2 風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)

為了能有效得出某地區(qū)風(fēng)能資源在二三十年的分布狀況，一般有兩種風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)，第一種是MCP方法，將長時(shí)間的氣象觀測數(shù)據(jù)與短時(shí)間的風(fēng)能資源數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而分析出該地區(qū)多年的風(fēng)能資源分布情況。第二種是基于空氣動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)原理，將動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)結(jié)果相結(jié)合的方式來進(jìn)行數(shù)值模擬，這種分析方法首先需要根據(jù)大尺度氣候背景場的類型進(jìn)行分類，通過對氣象觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立起相應(yīng)的大尺度氣候背景場具體類型，再結(jié)合地形信息，在大尺度氣候背景場的條件下利用中尺度氣象模式對受到地形影響的風(fēng)能資源分布進(jìn)行模擬，在對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，從而分析出該地區(qū)的風(fēng)能資源情況，避免了原先的分析周期長、以及地形條件的限制。本文采用的是第二種基于空氣動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)的理論下，由加拿大氣象局研發(fā)的WEST風(fēng)能資源模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三個(gè)模塊組合而成。

2.1 大尺度氣候背景場分類模塊

能夠利用、且設(shè)備可以達(dá)到要求的風(fēng)能資源大致分布在地表一百米的高度上，由于我國大部分國土都處于中緯度地區(qū)，中緯度地區(qū)的風(fēng)能與大氣層結(jié)構(gòu)、地表因素以及地轉(zhuǎn)風(fēng)有關(guān)，地表因素是指地面上的具體地形、地面粗糙度以及地面溫度等情況?？梢韵壤貌皇艿匦斡绊懙暮Ｆ矫娴剞D(zhuǎn)風(fēng)作為條件進(jìn)行氣候背景場分類，這樣的大尺度氣候背景場分類結(jié)果不受地形影響，再依照分類結(jié)果進(jìn)行模擬初始場的構(gòu)建，然后隨著時(shí)間的變化使地形逐漸與實(shí)際地形相一致，再進(jìn)行最終的風(fēng)場分布模擬。

2.2 中尺度模擬模塊

利用中小尺度數(shù)值模式MC2進(jìn)行風(fēng)能資源數(shù)值的中尺度模擬，控制的方程為全歐拉方程，具有可壓、全彈、非靜力的特性，MC2的模擬精度非常高，而且適用于各個(gè)尺度的天氣現(xiàn)象。在利用MC2對風(fēng)能資源的分布進(jìn)行模擬時(shí)，以插值方式將各個(gè)氣候背景場的初始場構(gòu)建出來。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析模塊

風(fēng)能資源的評(píng)估需要用到多種參數(shù)，比如一些具有代表性年份的該年平均風(fēng)速、年平均風(fēng)能風(fēng)向頻率、有效小時(shí)數(shù)等。在計(jì)算平均風(fēng)速時(shí)，可以用風(fēng)速觀測序列總和除去風(fēng)速序列個(gè)數(shù)來計(jì)算；風(fēng)向頻率可以用觀測時(shí)段內(nèi)風(fēng)向出現(xiàn)的時(shí)間除去總觀測時(shí)間來計(jì)算；有效小時(shí)數(shù)指的是具有代表性的年份該年測風(fēng)序列中風(fēng)速達(dá)到3～25米每秒的總時(shí)間。因?yàn)轱L(fēng)能的大小由風(fēng)速大小決定，所以對風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估時(shí)一定要以風(fēng)速為重要指標(biāo)。

3 風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)在我國風(fēng)能資源評(píng)估中的可行性驗(yàn)證

由于我國的地勢地形主要呈“三級(jí)階梯”狀，西邊地形高，東邊地形低，自西向東以青藏高原為代表屬于第一階梯，海拔高度大概有4000米，第二階梯式青藏高原東北地帶的高原盆地，海拔高度在2000米左右，第三階梯是我國東部的平原地帶，海拔高度在500米以下。自西向東覆蓋了各種不同的地形，以高原、丘陵居多，同時(shí)受太平洋氣候影響，氣候狀況也比較復(fù)雜，導(dǎo)致我國風(fēng)能資源的評(píng)估工作一直很難取得有效的進(jìn)步。在我國不同地區(qū)利用風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)對風(fēng)能資源進(jìn)行模擬分析可以有效驗(yàn)證風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)在我國的適用性。

通過對江蘇、內(nèi)蒙古、遼寧、青海、新疆等不同地形、不同氣候條件地區(qū)的模擬以及與以往的觀測記錄的對比，風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)在低海拔地區(qū)的模擬性能良好，其誤差可以控制在20%以內(nèi)，可以直接利用模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。在高原地區(qū)的模擬結(jié)果與實(shí)際觀測的誤差較大，在評(píng)估時(shí)需要與測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)以及歷年氣象資料相結(jié)合進(jìn)行評(píng)估。

4 利用數(shù)值模擬結(jié)果對我國的風(fēng)能資源區(qū)域進(jìn)行劃分

通過對風(fēng)能資源數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以有效地將我國的風(fēng)能資源依照其豐富程度劃分為五個(gè)區(qū)域。如圖1。

（1）風(fēng)能資源極豐富區(qū)。我國風(fēng)能資源最豐富的地帶，進(jìn)行風(fēng)能資源開發(fā)的主要地區(qū)。北部極豐富區(qū)長期受到西風(fēng)帶控制，同時(shí)每當(dāng)冷空氣南下時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的風(fēng)力，又因?yàn)檫@里地勢相對比較平坦，極其適合建立風(fēng)電場。但需要注意的是，該地區(qū)有低溫、沙塵暴等自然災(zāi)害，在進(jìn)行風(fēng)電場建設(shè)時(shí)，一定要避免這些問題，注意風(fēng)險(xiǎn)控制。同時(shí)在我國華南及華東沿海地方也存在著風(fēng)能資源極豐富區(qū)，但受臺(tái)風(fēng)頻繁登陸影響，在進(jìn)行風(fēng)電場的建設(shè)時(shí)，一定要注意臺(tái)風(fēng)的影響，避免臺(tái)風(fēng)過大對設(shè)備以及線路造成破壞。（2）風(fēng)能資源豐富區(qū)。以內(nèi)蒙古、河北北部、遼寧北部等區(qū)域?yàn)橹?，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)況比較好，但由于風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目占地面積、電網(wǎng)接入、建設(shè)條件等限制因素。風(fēng)電場建設(shè)以中小規(guī)模為主。（3）風(fēng)能資源較豐富區(qū)。以吉林東部、黑龍江西部等地區(qū)為主，包括江蘇沿海、江西環(huán)鄱陽湖地區(qū)及贛南山區(qū)、福建沿海等地風(fēng)能資源比較豐富。（4）風(fēng)能資源一般區(qū)。我國中部、東部大部分地區(qū)都屬于風(fēng)能資源一般的區(qū)域，資源較好區(qū)域主要集中在沿海地區(qū)及內(nèi)陸海拔相對較高的山區(qū)。（5）風(fēng)能資源貧乏區(qū)。風(fēng)能資源貧乏區(qū)主要是地形導(dǎo)致的。比如以四川盆地為中心的地區(qū)，平均風(fēng)功率密度十分低。還有塔里木盆地等地區(qū)風(fēng)能資源也十分貧乏。

5 結(jié)語

我國風(fēng)能資源豐富，分布廣泛，利用風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)對我國各個(gè)地區(qū)的風(fēng)能資源分布進(jìn)行合理的模擬分析，并根據(jù)各地區(qū)風(fēng)能資源模擬結(jié)果，初步確定具備開發(fā)潛力的區(qū)域，這對于風(fēng)電場項(xiàng)目的宏觀選址和區(qū)域規(guī)劃能起到積極作用，有效的提高風(fēng)能資源分析效率，加快風(fēng)電場宏觀選址及風(fēng)能資源的開發(fā)利用進(jìn)程。

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