未來風(fēng)能資源普查評價技術(shù)的發(fā)展研究

鄒璐

摘 ? 要：風(fēng)力發(fā)電建設(shè)的前期關(guān)鍵工作就是對風(fēng)能資源的普查和評估，風(fēng)能評估技術(shù)決定著評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章在分析風(fēng)能資源評估重要性的基礎(chǔ)上，對風(fēng)能資源評估技術(shù)方法進行了簡要概述。同時，對我國風(fēng)能資源普查評價技術(shù)的發(fā)展進行了分析，并對風(fēng)能資源評估技術(shù)前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能;風(fēng)能資源評估技術(shù);評估方法;風(fēng)電場

人類當(dāng)前面臨的能源危機已經(jīng)越來越嚴(yán)峻，國內(nèi)外對新能源開發(fā)、利用技術(shù)都給予了高度重視。風(fēng)能作為一種經(jīng)濟、環(huán)保的可再生清潔能源，受到世界各國的青睞。通過建設(shè)大型風(fēng)電場，利用風(fēng)力發(fā)電來緩減我國目前電力供應(yīng)緊張的問題顯得尤為重要。在制定風(fēng)電場建設(shè)發(fā)展規(guī)劃時，需要先對風(fēng)能資源進行評估，弄清我國風(fēng)能資源的分布狀態(tài)，從而有針對性地建設(shè)風(fēng)力發(fā)電基地。因此，對風(fēng)能資源普查評價技術(shù)方法的研究成為當(dāng)務(wù)之急。

1 ? ?風(fēng)能資源評估的重要性

在建設(shè)風(fēng)電場、對風(fēng)能進行開發(fā)利用時，需要了解風(fēng)能資源的時空分布情況，也就是對風(fēng)能資源進行評估，據(jù)此選擇正確的風(fēng)電場址和合適的風(fēng)力機機位，這對保障風(fēng)能的開發(fā)、發(fā)電的順利進行和高效利用風(fēng)能資源具有重要的意義。

首先，風(fēng)能資源評估有利于我國科學(xué)規(guī)劃風(fēng)電開發(fā)計劃。我國是一個能源消耗大國，對可再生能源尤其是風(fēng)能的開發(fā)是長期發(fā)展目標(biāo)，但如何實現(xiàn)風(fēng)能的合理開發(fā)，需要清楚地了解哪些區(qū)域有優(yōu)良的風(fēng)能資源以及其具體的風(fēng)電開發(fā)潛力，客觀、準(zhǔn)確的風(fēng)能資源評估結(jié)果將為制定風(fēng)電開發(fā)優(yōu)化項目計劃提供科學(xué)的理論支撐。

其次，風(fēng)能資源評估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度決定著風(fēng)電場建設(shè)的成敗。風(fēng)能資源的豐富度及優(yōu)劣度決定著風(fēng)力發(fā)電量的多少，影響著發(fā)電成本和風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。微小的風(fēng)速變化都會導(dǎo)致風(fēng)電場商業(yè)價值的較大波動。精確、可靠的風(fēng)資源評估結(jié)果決定著風(fēng)電場的選址和電場的正常運營，是保證風(fēng)電場投資成功的關(guān)鍵。精確的風(fēng)能資源評估報告可以為投資商提供決策性支持，幫助其投資好的風(fēng)電場，對于投資不太理想的風(fēng)場，還可以通過評估結(jié)果討論分析，找出可能存在的原因，采取適當(dāng)?shù)膹浹a措施?？梢?，精確的風(fēng)能資源評估是風(fēng)電開發(fā)工程中極為重要的環(huán)節(jié)之一。

2 ? ?風(fēng)能資源評估技術(shù)方法簡述

對風(fēng)能資源進行評估的技術(shù)方法有3種：利用氣象站歷史觀測資料進行評估，利用氣象塔觀測資料進行評估和利用風(fēng)能資源評估的數(shù)值模擬方式進行評估[1]。

依據(jù)氣象站歷史觀測數(shù)據(jù)進行風(fēng)能評估，其結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因為氣象站所測得風(fēng)的高度在10 m左右，而風(fēng)機的輪轂高度大多數(shù)都在50～70 m，不同高度的風(fēng)速變化受外在因素的影響是不同的，從10 m高度的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)推斷風(fēng)機輪轂高度的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)是不客觀也不夠準(zhǔn)確的，而且部分氣象站由于周圍建筑環(huán)境的影響，測量數(shù)據(jù)還存在著嚴(yán)重的失真，以此為基礎(chǔ)所做出的評估結(jié)果當(dāng)然就不會太準(zhǔn)確，給風(fēng)電場的選址和規(guī)劃帶來諸多困難。此外，我國各氣象站的間距為50～200 km，東部沿海地區(qū)由于風(fēng)力豐富，氣象站分布相對密集，西部地區(qū)氣象站設(shè)置較為稀少，那么西部的統(tǒng)計分析結(jié)果會就存在較大的誤差，即使是分布較密的東部地區(qū)也只能從宏觀上大致反映我國風(fēng)能資源的分布趨勢 ，都不能較準(zhǔn)確、定量地確定某個局部區(qū)域可開發(fā)風(fēng)能資源的范圍和儲量。另外，我國的氣象站為了操作便捷，多數(shù)分部于人口密集的城鎮(zhèn)近郊，風(fēng)速相對較小，也是一個影響風(fēng)能資源評估結(jié)果的原因。因此，以氣象站觀測數(shù)據(jù)為參考的風(fēng)能資源評估難以滿足我國制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃對風(fēng)能資源準(zhǔn)確評估的要求。

印度曾經(jīng)通過設(shè)立測風(fēng)塔來觀測風(fēng)力數(shù)值，但由于測風(fēng)資料都是不同時段的，所得結(jié)果也不統(tǒng)一，因此，測風(fēng)塔所測得結(jié)果的準(zhǔn)確度也有不足，而且設(shè)立測風(fēng)塔觀測需耗費大量的人力、物力，大范圍內(nèi)建立密集的觀測網(wǎng)是不現(xiàn)實的，更不可能像氣象站一樣進行常年觀測。因此，依靠測風(fēng)塔的觀測資料進行區(qū)域風(fēng)能資源評估是不經(jīng)濟且難以執(zhí)行的。

近年來，國外應(yīng)用數(shù)值模擬的方法發(fā)展了許多較為成熟的風(fēng)能資源評估系統(tǒng)軟件，典型代表有丹麥的風(fēng)圖分析和應(yīng)用程序（Wind Atlas Analysis and Application Program，WAsP），這是一種能獨立對風(fēng)資源進行三維分析的軟件，的主要特點是利用地轉(zhuǎn)風(fēng)和單點的測風(fēng)資料推算周圍區(qū)域風(fēng)場的風(fēng)資源分布，在對某地區(qū)風(fēng)資源進行分析時，充分考慮了該地區(qū)不同的地形表面粗糙度以及由附近建筑物或其他障礙物所引起的屏蔽因素帶來的影響，同時還對山丘和復(fù)雜場地所引起的風(fēng)變化情況予以考慮，從而使得估算出的風(fēng)資源分布相對真實一些。此外，它可以依據(jù)某地區(qū)的風(fēng)資源情部分，通過計算推導(dǎo)出另一地的風(fēng)資源，這對偏遠且缺乏氣象資料收集地區(qū)是很有幫助的。

3 ? ?我國風(fēng)能資源普查評價技術(shù)發(fā)展研究

3.1 ?全國陸上風(fēng)能資源專業(yè)觀測網(wǎng)的建立

為了做好全國風(fēng)能資源的詳細普查以及評價工作，我國氣象局在大陸風(fēng)能資源充足的區(qū)域根據(jù)一定的風(fēng)資源選址規(guī)劃和統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立了多座測風(fēng)塔，各測風(fēng)塔數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)共享、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實現(xiàn)了全國陸上風(fēng)能資源專業(yè)觀測網(wǎng)的初步建立，為開展風(fēng)能預(yù)報業(yè)務(wù)和風(fēng)電場后評估提供基礎(chǔ)保障[2]。

3.2 ?風(fēng)能資源評估系統(tǒng)的研發(fā)

美國、加拿大和丹麥等國在風(fēng)能數(shù)值模擬評估方面的研究較早，技術(shù)也相對成熟，我國在認真研究其科研經(jīng)驗后加以借鑒，并根據(jù)自身的地理、氣候特點，對國外的風(fēng)能數(shù)值模擬評估進行了改良和優(yōu)化，研發(fā)出適合我國實際的風(fēng)能資源評估系統(tǒng)（Wind Energy Resource Analysis System，WERAS/CMA），模擬分辨率精度得到大大提高，充分滿足了風(fēng)電場選址和規(guī)劃需求[3]。

3.3 ?風(fēng)能資源計算評估系統(tǒng)的研發(fā)

在原有風(fēng)能資源計算評估技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，我國又研制出特有的儀器設(shè)置和數(shù)據(jù)采集方式，以適用于風(fēng)能專業(yè)觀測網(wǎng)一體化觀測系統(tǒng)，增加了一系列附加功能，實現(xiàn)各種觀測儀器原始數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量予以檢查，發(fā)現(xiàn)缺測、漏測數(shù)據(jù)后自動插補訂正，所有觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理，大大降低了計算評估過程中不同數(shù)據(jù)的處理速度，使參數(shù)計算和報告編制滿足各方需要。

3.4 ?風(fēng)能資源數(shù)據(jù)庫共享系統(tǒng)的建設(shè)

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，使測風(fēng)塔觀測數(shù)據(jù)的采集和傳輸都得到及時處理，同時對質(zhì)量的嚴(yán)格控制以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和加工、分發(fā)、存儲等一系工作實現(xiàn)自動按序運行?？梢酝ㄟ^分級管理使全國風(fēng)能資源數(shù)據(jù)得以共享，將風(fēng)能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、評估參數(shù)以及圖表結(jié)果等很方便地傳送到全社會的各個層面，為人們及時獲取數(shù)據(jù)資料提供了便利。

4 ? ?我國風(fēng)能資源評估技術(shù)的發(fā)展展望

數(shù)值模擬技術(shù)從理論基礎(chǔ)上講，是建立在對邊界層大氣動力和熱力運動數(shù)學(xué)物理描述基礎(chǔ)上的，是通過精密計算得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，比僅依靠氣象站觀測數(shù)據(jù)的空間插值方法得到的數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確很多，這些在國外早有研究。實證研究表明，數(shù)值模擬方法所測得的風(fēng)能資源空間分布精準(zhǔn)度相較其他方法更高一些，更有助于風(fēng)能資源的面積和風(fēng)機輪轂高度可開發(fā)風(fēng)能儲量的精確定位，可以為風(fēng)電開發(fā)的中長期規(guī)劃和風(fēng)電場建設(shè)提供更好的科學(xué)依據(jù)。將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)能資源評估是一個很好的方法，但是模擬數(shù)值有時也會存在一些偏差，需要聯(lián)合測風(fēng)塔以及氣象站的觀測數(shù)據(jù)進行修正，以達到所獲取的區(qū)域風(fēng)能資源分布更加準(zhǔn)確的效果。由此來看，數(shù)值模擬與測風(fēng)塔觀測和氣象站觀測相結(jié)合是較為成熟的風(fēng)能資源評估方式。

目前，國外在利用數(shù)值模擬開展風(fēng)能資源評估時，通常采用的方法是：中尺度模式+小尺度模式。進行風(fēng)能資源評估一般分3步，即普查、詳查和風(fēng)電場選址。在普查階段，一般只須了解清楚所測區(qū)域風(fēng)能的宏觀分布，選用中尺度數(shù)值模式進行數(shù)值模擬即可。在風(fēng)能資源的詳查階段，對數(shù)值模擬結(jié)果的分辨率要求有所提高，要想滿足風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃需求，必須使所得結(jié)果分辨率達到1 km才行[4]。對于地勢好的地區(qū)，采用中尺度數(shù)值模式還行，但對于地形凹凸不平的地區(qū)來說，近地層的風(fēng)速分布利用中尺度模式所得結(jié)果就不太準(zhǔn)確了，這時需要采用小尺度模式。我國地形條件復(fù)雜，土地面積很大，風(fēng)能資源豐富，迫切需要自主發(fā)展小尺度數(shù)值模式。因此，有自主知識產(chǎn)權(quán)的小尺度數(shù)值模式將是未來我國數(shù)值模擬評估方法的發(fā)展方向。

5 ? ?結(jié)語

風(fēng)能作為一種儲量大、清潔環(huán)保的可再生能源，將是補充我國電力緊缺的主要能源之一。因此，評估風(fēng)能資源，清楚我國風(fēng)能資源的分布狀況，進而大力發(fā)展風(fēng)電建設(shè)成為我國的當(dāng)務(wù)之急，對風(fēng)能資源評估技術(shù)的研究為我國大規(guī)模的風(fēng)電建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

[參考文獻]

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