新能源企業(yè)從事部分氣象課題研究的必要性探討

鞠蘇榮

摘 要：氣象科技服務(wù)有力支撐了我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，但目前也存在一些問題。本文主要基于主要的三類現(xiàn)有服務(wù)，分析目前存在的問題和需求，探討新能源企業(yè)從事部分氣象課題研究的必要性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能;氣象;中尺度

1 氣象科技服務(wù)在新能源投資中存在的問題

當(dāng)前的氣象服務(wù)主要是風(fēng)能資源測量、風(fēng)能資源評估、氣象預(yù)報(bào)三大類。

1.1 風(fēng)能資源測量

風(fēng)電項(xiàng)目廣泛分布于各類地形，復(fù)雜山地、丘陵起伏較大，平原分散式項(xiàng)目周邊也可能存在高大建筑或植被。風(fēng)的障礙物會(huì)顯著降低風(fēng)速并產(chǎn)生湍流，湍流區(qū)域可以擴(kuò)展到障礙物高度的3倍。

風(fēng)能資源測量方面，目前主要使用測風(fēng)塔，存在建設(shè)周期長、隨高度增加成本陡增、施工要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是海上測風(fēng)塔。因此有些企業(yè)前期設(shè)立測風(fēng)塔數(shù)量不足，或測量時(shí)間不足。

在測風(fēng)方案的設(shè)計(jì)上，近年有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約束平原和復(fù)雜地形的測風(fēng)塔選址代表性范圍，但具體項(xiàng)目還應(yīng)具體分析，較為依賴工程師團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)。測風(fēng)塔的選址需要避開阻擋物，避免測得風(fēng)速偏低;需要避開較陡峭的尖峰，避免測得風(fēng)速偏高;需要避開高臺地迎風(fēng)面的陡崖附近， 避免測得風(fēng)速失真、風(fēng)切變和湍流異常。光依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，較難保證長期的工作質(zhì)量，難以積累傳授給其他人員，對技術(shù)進(jìn)步、企業(yè)的長期發(fā)展不利。

1.2 風(fēng)能資源評估

風(fēng)資源評估主要包括場址年際風(fēng)速評估、極限風(fēng)速評估。

年際風(fēng)速評估近年來使用NASA的MERRA2和歐洲氣候中心的ERA5再分析中尺度數(shù)據(jù)較多，部分地區(qū)的精度不夠，目前競爭性配置項(xiàng)目申報(bào)時(shí)間較短，大多數(shù)投資商在目標(biāo)點(diǎn)或周邊未掌握足夠數(shù)據(jù)，更加希望使用高精度擬合數(shù)據(jù)。

五十年一遇極限風(fēng)速評估，用于論證設(shè)備選型，復(fù)核中標(biāo)風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全性，甚至為特殊項(xiàng)目定制化設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理策略。易受臺風(fēng)影響的沿海、海上風(fēng)電項(xiàng)目的極限風(fēng)速評估存在困難，不同單位間存在不一致的評估結(jié)論。

1.3 氣象預(yù)報(bào)

在具體風(fēng)電項(xiàng)目管理上，電力生產(chǎn)調(diào)度機(jī)構(gòu)需要對未來數(shù)小時(shí)至3天的風(fēng)電輸出功率有所了解。短期風(fēng)功率預(yù)測方法在實(shí)際應(yīng)用中存在隨預(yù)測時(shí)間尺度增大，預(yù)測精度出現(xiàn)明顯下滑的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)趨勢預(yù)測錯(cuò)誤的情形。

風(fēng)資源評估的結(jié)果是預(yù)測未來20年平均水平的發(fā)電情況，因此在風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)前的發(fā)電量預(yù)測評估的不確定分析環(huán)節(jié)，除了對長期測站/中尺度的代表性分析外，還需要對未來氣候變化引起的風(fēng)速變化進(jìn)行分析，但目前普遍是根據(jù)過往30年、20年、10年平均值的變化情況保守地猜測。

2 適合研究的前沿氣象相關(guān)課題

2.1 高精度測風(fēng)研究

在測風(fēng)設(shè)備選址研究方面，利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對大量已測風(fēng)的案例的地形、測量結(jié)果進(jìn)行匹配，利用流體力學(xué)進(jìn)行微尺度模擬建模，量化分析測點(diǎn)選址代表性，形成算法和工具，不斷豐富案例庫，持續(xù)修正算法工具， 預(yù)計(jì)能建立起高效、精準(zhǔn)的選址能力。

在儀器精度方面，因?yàn)轱L(fēng)速的誤差會(huì)在發(fā)電量表現(xiàn)中被數(shù)倍放大，使用高質(zhì)量的風(fēng)速計(jì)很有必要。當(dāng)前測風(fēng)主要方式是設(shè)立桁架式測風(fēng)塔，安裝風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)等機(jī)械測量設(shè)備。利用雷達(dá)等場測量裝置，可便利地開展多點(diǎn)測量、定點(diǎn)移動(dòng)觀測，能在短時(shí)間內(nèi)掌握風(fēng)電投資項(xiàng)目廠址內(nèi)多個(gè)代表點(diǎn)的風(fēng)特征，減少風(fēng)資源評估建模的水平外推誤差。目前主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉尖距離地面的最高距離能達(dá)到220m以上，一般固定式測風(fēng)塔高度僅140～160m，高層的風(fēng)切變、湍流、風(fēng)速、風(fēng)向僅靠低層測值推算， 其誤差可能引起安全評估和投資價(jià)值評估的風(fēng)險(xiǎn)。場測量設(shè)備可探測地面200m以上高度，比起固定機(jī)械式測風(fēng)有明顯優(yōu)勢。場測量設(shè)備也存在購置成本高、管理難度大、復(fù)雜地形下測量值如何修正的問題。

新能源企業(yè)可投入研發(fā)成本，研究場測量設(shè)備的精度，開拓應(yīng)用，建立起有效的管控模式;可開展高精度的測量設(shè)備研發(fā)，建設(shè)測風(fēng)標(biāo)定場項(xiàng)目，長期開展設(shè)備使用前后的比對、標(biāo)定，能有效降低測量的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)設(shè)備制造廠的健康競爭，能有效支持我國氣象測量設(shè)備的高端制造。

如今風(fēng)電項(xiàng)目已去除補(bǔ)貼，競爭性配置項(xiàng)目的電價(jià)甚至低于火電基準(zhǔn)電價(jià)，不少項(xiàng)目處于投資經(jīng)濟(jì)性的底線，而單個(gè)項(xiàng)目的投資規(guī)模通常達(dá)到數(shù)億至數(shù)百億規(guī)模，風(fēng)險(xiǎn)影響巨大。通過研究實(shí)現(xiàn)高精度、高效率測風(fēng)對企業(yè)有較大的價(jià)值。

2.2 中短期氣候預(yù)測

近130年（1880～2012年）全球地表年平均溫度升高了0.85℃，陸地增溫比海洋快，高緯度地區(qū)增溫比中低緯度地區(qū)大，冬半年增溫比夏半年明顯。氣溫變化也進(jìn)一步影響了降水、氣流的空間分布，可能帶來氣候?yàn)?zāi)害，改變已建成風(fēng)電、光伏投資項(xiàng)目的資源條件。

年際或季度的氣候變化顯著影響到具有多種組合能源投資開發(fā)商的日常管理。以華潤電力控股公司為例，氣候變化可能會(huì)產(chǎn)生如下負(fù)面影響： 下季度電力需求減少、冷卻水溫度提高降低發(fā)電效率、易結(jié)冰區(qū)域冬季發(fā)電或輸電中斷、風(fēng)電發(fā)電顯著下降等。

氣候預(yù)報(bào)研究具備可行性，因?yàn)闅夂蛳到y(tǒng)中有一些部分的變化比大氣要緩慢，可用模式對它們進(jìn)行模擬。在模型中輸入海洋溫度、熱帶降水、海冰、土壤濕度、火山、太陽活動(dòng)、氣溶膠、積雪等，可以預(yù)報(bào)大氣對海洋的響應(yīng)。當(dāng)前，國家氣候中心及少量的科研單位在開展此前沿技術(shù)的研究。

短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)方面，我國多個(gè)單位開展了風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的研究。同時(shí)我國也與德國太陽能研究所（ISET）、丹麥Rise國家實(shí)驗(yàn)室等公司開展了國際合作。有文獻(xiàn)提出一種基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合型風(fēng)能預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠依據(jù)特定風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)場的發(fā)電量的歷史數(shù)據(jù)對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[1]。在研究方向上，可研究適合不同預(yù)測場景的預(yù)測方法，結(jié)合物理預(yù)測與統(tǒng)計(jì)預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善預(yù)測理論;在應(yīng)用上，可深入研究以風(fēng)電場出力預(yù)測為基礎(chǔ)，建立含風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與決策模型，對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。

2.3 中尺度數(shù)據(jù)研究

實(shí)際項(xiàng)目發(fā)電后，若年度發(fā)電低于預(yù)期，量化評估其與預(yù)測的差異也需要先分析發(fā)電時(shí)段與代表年風(fēng)速的差異，但一般情況下測風(fēng)塔也已拆除，需要使用中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。中尺度數(shù)據(jù)的精度對結(jié)論影響較大。

在精度研究方面，可通過開展后評估研究，對不同源的中尺度進(jìn)行量化評比。比例，根據(jù)利用某來源數(shù)據(jù)對60個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的年度發(fā)電量進(jìn)行訂正，最大風(fēng)年與最小風(fēng)年差異平均為23%，還可進(jìn)一步分析最大風(fēng)年、最小風(fēng)年與平均值的差異，1年與5年、10年甚至更長年份的平均差異。以這些結(jié)果建立模型，不斷豐富案例和分析的顆粒度，在實(shí)際遇到問題時(shí)可快速量化評估單年度發(fā)電量正常與否的判斷誤差范圍，對企業(yè)開發(fā)新項(xiàng)目、運(yùn)營大批量風(fēng)電場具有較高的價(jià)值。亦可通過WRF研究制作重點(diǎn)區(qū)域的定制化高精度圖譜，對緊急項(xiàng)目虛擬特定位置的時(shí)間序列風(fēng)數(shù)據(jù);開展后處理方法研究，利用實(shí)測點(diǎn)修正圖譜，輸出修正后的任意點(diǎn)時(shí)間序列，滿足緊急無測風(fēng)、測風(fēng)不足項(xiàng)目的初步評估，節(jié)省時(shí)間;還可將高精度風(fēng)資源分布圖譜用于資源普查，便于提前開展整縣分散式風(fēng)電、大基地項(xiàng)目、海上風(fēng)電中遠(yuǎn)期規(guī)劃。

綜上所述，當(dāng)前氣象科技服務(wù)在新能源投資中存在一些問題，新能源投資企業(yè)存在較為明確的需求，開展高精度測風(fēng)研究、中短期氣候預(yù)測和中尺度數(shù)據(jù)研究，能有力支持新能源的高效率發(fā)展、高水平風(fēng)險(xiǎn)管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉林，趙永寧.基于空間相關(guān)性的風(fēng)電功率預(yù)測研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（14）：126-135.