風(fēng)能資源評估技術(shù)進(jìn)展

文 | 朱蓉

迄今為止，風(fēng)能資源評估技術(shù)的發(fā)展已有近40年的歷史。風(fēng)電開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步不斷地對風(fēng)能資源評估提出更高的要求，越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)能資源評估，如雷達(dá)探測、衛(wèi)星反演、中尺度數(shù)值模擬、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬、地理信息系統(tǒng)（GIS）等。風(fēng)能資源評估技術(shù)的不斷進(jìn)步也必將帶動(dòng)大氣邊界層湍流、計(jì)算風(fēng)工程和電力氣象等學(xué)科的發(fā)展。

當(dāng)前風(fēng)能資源評估技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

一、可公開獲取的精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集

2012年完成的IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第五次評估報(bào)告的特別報(bào)告——《可再生能源與減緩氣候變化》指出，全球可再生能源技術(shù)可開發(fā)量均高于全球?qū)δ茉吹男枨?，所以，資源儲量不會限制可再生能源的開發(fā)利用。風(fēng)能資源方面的研究顯示，全球風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量大致范圍為19400TWh/a（陸上）～125000TWh/a（沿海及近海），約相當(dāng)于2008年全球發(fā)電量的1～6倍。同樣是2012年，中國風(fēng)能資源詳查結(jié)果表明，70米高度全國風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為26億千瓦。至此，風(fēng)能資源評估領(lǐng)域的研究重點(diǎn)從風(fēng)能資源儲量能否滿足未來發(fā)展需求的問題開始轉(zhuǎn)為風(fēng)電場選址問題。精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集成為風(fēng)電場選址的必備，尤其是對于分散式風(fēng)電開發(fā)，直接采用精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)是最經(jīng)濟(jì)的選擇。為此，近年來國內(nèi)外各種研究機(jī)構(gòu)、咨詢公司和風(fēng)電企業(yè)都紛紛采用數(shù)值模擬方法，通過高性能計(jì)算制作區(qū)域乃至全球的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集，面對大量耗費(fèi)人力、物力的重復(fù)工作，如何建立可公開獲取的精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集成為國內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。

二、重新認(rèn)識風(fēng)能資源

近十年以來，風(fēng)電機(jī)組不斷向大型化方向發(fā)展，葉尖高度超過200米、風(fēng)輪直徑超過150米的大型風(fēng)電機(jī)組屢見不鮮，如此的發(fā)展趨勢給風(fēng)能資源評估帶來了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的風(fēng)能資源評估技術(shù)是建立在經(jīng)典近地層相似理論基礎(chǔ)上的，近地層相似理論中假設(shè)地表動(dòng)量通量和熱量通量隨高度不變，此假設(shè)僅適用于高度100米左右的近地層。在地面到300米高度的大氣邊界層下層，常通量假設(shè)就不再適用，而且高度超過100米以后還需要考慮地轉(zhuǎn)偏向力的作用。近地層中是地表摩擦力和氣壓梯度力平衡作用下的大氣運(yùn)動(dòng)，而近地層以上是地表摩擦力、氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力三力平衡作用下的大氣運(yùn)動(dòng)。在葉輪掃風(fēng)范圍內(nèi)，除了風(fēng)速隨高度變化以外，風(fēng)向也會隨高度轉(zhuǎn)變，而且風(fēng)速的垂直分布也不是一個(gè)單調(diào)函數(shù)就能描述的。因此，重新認(rèn)識風(fēng)特性，拓展或重新建立風(fēng)能資源評估理論和技術(shù)方法，成為近年來國內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

風(fēng)能資源評估技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

一、風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集

為了構(gòu)建可公開獲取的全球或區(qū)域高質(zhì)量的精細(xì)化風(fēng)能資源參數(shù)數(shù)據(jù)集，更有效地服務(wù)于風(fēng)電場選址，一些國家或國際組織已經(jīng)啟動(dòng)了相應(yīng)的研究計(jì)劃。如世界銀行支持的能源系統(tǒng)輔助管理計(jì)劃（Energy Sector Management Assistance Program, ESMAP）由丹麥科技大學(xué)風(fēng)能系主持，采用典型樣本中尺度數(shù)值模擬與WAsP降尺度計(jì)算結(jié)合的方法，計(jì)劃獲得全球水平分辨率150米×150米的高分辨率數(shù)據(jù)集，目前已經(jīng)在一些發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)初步完成數(shù)據(jù)集的建立，并經(jīng)過了地面觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。同樣，國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）也在構(gòu)建全球可再生能源數(shù)據(jù)集，并結(jié)合地理信息資料考慮政策對資源開發(fā)利用的制約。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）與AWS Turewind公司合作制作了兩套全國風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集：一套是水平分辨率200米×200米高分辨率數(shù)據(jù)集；一套是虛擬測風(fēng)塔數(shù)據(jù)集。高分辨率數(shù)據(jù)集的制作方法為：采用從15年中隨機(jī)抽取366天樣本進(jìn)行水平分辨率2.5千米×2.5千米的中尺度數(shù)值模擬，然后采用建立在質(zhì)量守恒基礎(chǔ)上的小尺度模式WindMap降尺度到水平分辨率200米×200米，之后廣泛收集了公開的、私人的和氣象部門的測風(fēng)資料，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行長年代訂正。虛擬測風(fēng)塔數(shù)據(jù)集的制作方法為：采用中尺度模式模擬得到1997年以來全國空間水平分辨率20千米×20千米、時(shí)間連續(xù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)關(guān)注點(diǎn)坐標(biāo)，再用WindMap降尺度直接得到該點(diǎn)位上時(shí)間連續(xù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)。中國氣象局也分別制作了高空間分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集（1千米×1千米）和高時(shí)空分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集（3千米×3千米，逐小時(shí)間隔）。前者是采用對典型日的中尺度模擬與地形診斷模式降尺度相結(jié)合得到的；后者是直接采用中尺度模式模擬1995－2016年風(fēng)速分布并逐小時(shí)輸出。水平分辨率3千米×3千米、時(shí)間分辨率1小時(shí)的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，在地域遼闊的平坦地形上可以直接用作虛擬測風(fēng)塔；在非平坦地形上，可以通過降尺度計(jì)算制作虛擬測風(fēng)塔數(shù)據(jù)。

攝影：李召麒

二、已啟動(dòng)的重大研發(fā)計(jì)劃

當(dāng)前，提高對風(fēng)特性認(rèn)識，改進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)，提高精度，降低風(fēng)險(xiǎn)，高效利用風(fēng)能，已成為風(fēng)能資源評估技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。為此，一些重大研發(fā)計(jì)劃也已啟動(dòng)，如美國A2e（Atmosphere To Electrons）和歐盟NEWA（New European Wind Atlas）。

2015年啟動(dòng)的美國A2e計(jì)劃的研究目標(biāo)是，通過先進(jìn)的物理建模、分析和數(shù)值模擬能力來改進(jìn)風(fēng)電場運(yùn)維管理水平；采用流場監(jiān)測和主動(dòng)性尾流控制減少損耗；將風(fēng)電場損失限制在20%以內(nèi)，每年減少1億美元以上的運(yùn)營成本，達(dá)到與傳統(tǒng)能源相當(dāng)?shù)乃健Ｑ邪l(fā)計(jì)劃的實(shí)施分3個(gè)階段。第一階段是準(zhǔn)備工作（2015年），包括外場觀測試驗(yàn)設(shè)計(jì)、落實(shí)計(jì)算資源、數(shù)值模式比對、模式驗(yàn)證和評估方案設(shè)計(jì)。第二階段是風(fēng)特性研究（2015－2019年），包括外場觀測試驗(yàn)；高分辨率數(shù)值模擬研究，多模式比較；評估提高風(fēng)電場運(yùn)營效率的控制策略；評估風(fēng)電場設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局；從對風(fēng)特性的新認(rèn)識到技術(shù)創(chuàng)新，最終降低能源損耗。第三階段是技術(shù)研發(fā)（2017－2021年），重點(diǎn)是與企業(yè)合作研發(fā)新技術(shù)，其中包括短期風(fēng)電功率預(yù)測和運(yùn)維監(jiān)控。

歐盟NEWA研究計(jì)劃也是2015年啟動(dòng)的，總體目標(biāo)是發(fā)展新的風(fēng)能資源評估動(dòng)力降尺度模式系統(tǒng)；建立長時(shí)間序列的高時(shí)空分辨率歐洲風(fēng)能數(shù)據(jù)集，以及可提供風(fēng)電項(xiàng)目全生命周期各個(gè)階段的風(fēng)特性數(shù)據(jù)。具體指標(biāo)為，數(shù)據(jù)時(shí)間長度10年；水平分辨率有兩種尺度：中尺度2千米～3千米和微尺度20米～30米；覆蓋全歐洲、北海和波羅的海離岸100千米以內(nèi)的海域；數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲取。具體研究內(nèi)容包括觀測實(shí)驗(yàn)、多尺度耦合模式系統(tǒng)研發(fā)、歐洲風(fēng)能數(shù)據(jù)集制作和推廣應(yīng)用等四個(gè)方面。其中觀測實(shí)驗(yàn)選取了非均勻地表、森林覆蓋山地、雙山脊山地、具有復(fù)雜中尺度氣象背景場的復(fù)雜地形、近岸海域以及北海和波羅的海域共6種不同類型的下墊面，在北海和波羅的海域采用了走航激光雷達(dá)探測的方式。多尺度耦合模式系統(tǒng)將在一個(gè)開源平臺上開發(fā)，安裝在PRACE歐洲高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，還能與其他模型進(jìn)行交互。這樣不僅可以模擬出歐洲風(fēng)能圖譜，而且可以成為未來風(fēng)能數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展中心。

此外，國際能源署風(fēng)能課題實(shí)施協(xié)議組課題31（IEA-Wind Task 31）的研究活動(dòng)為美國A2e和歐盟NEWA研究計(jì)劃中的科學(xué)家提供了一個(gè)充分交流的平臺；第一個(gè)關(guān)于風(fēng)電場選址風(fēng)能資源評估的IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC Standard 61400-15）正在制定中。相信未來幾年，建立在對風(fēng)能資源全新認(rèn)識基礎(chǔ)上的風(fēng)能資源測量技術(shù)和評估理論與方法會得到廣泛應(yīng)用。

中國風(fēng)能資源評估技術(shù)發(fā)展方向

當(dāng)前，風(fēng)電場選址對精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集的需求越來越迫切。高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集可以用來對實(shí)際測風(fēng)資料的長年代訂正、為CFD計(jì)算提供入口和邊界條件、制作虛擬測風(fēng)塔風(fēng)速數(shù)據(jù)等，尤其是可以為分散式風(fēng)電開發(fā)的選址直接提供虛擬測風(fēng)塔。中國地域遼闊，制作高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集需要消耗巨大的計(jì)算資源，后期對數(shù)值模擬的校驗(yàn)也需要大量的實(shí)際測風(fēng)數(shù)據(jù)。所以，對中國的風(fēng)電場宏觀選址來講，集中力量制作可公開獲取的、經(jīng)過測風(fēng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)的、高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集是最有效的途徑，不僅可以直接為風(fēng)電場宏觀選址提供風(fēng)能資源參數(shù)，也能夠?yàn)轱L(fēng)電場流場的CFD計(jì)算提供輸入，帶動(dòng)風(fēng)能資源評估技術(shù)水平的整體提高。目前，我國已有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)制作了高分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集，但是由于對測風(fēng)資料或數(shù)據(jù)訂正技術(shù)的掌握程度有限，影響了數(shù)據(jù)的可靠性。因此，迫切需要尋找一個(gè)有效的途徑，建立高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集共享機(jī)制，集中技術(shù)力量和數(shù)據(jù)資源進(jìn)行風(fēng)能資源數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和訂正。

此外，未來我國風(fēng)能資源評估技術(shù)的發(fā)展還包括：針對中國復(fù)雜風(fēng)能資源特性，開發(fā)中尺度氣象模式、CFD模式和風(fēng)電機(jī)組尾流模型組成的模式鏈，并建立模式鏈的共享機(jī)制；研發(fā)大氣模式與海浪模式耦合的海上風(fēng)能資源評估技術(shù)；建立單臺風(fēng)電機(jī)組和整個(gè)風(fēng)電場運(yùn)行與邊界層大氣的相互作用數(shù)學(xué)物理模型，開展大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)的環(huán)境和氣候效應(yīng)研究。