風能資源評估技術進展

文 | 朱蓉

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

當前風能資源評估技術面臨的挑戰(zhàn)

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

二、重新認識風能資源

近十年以來，風電機組不斷向大型化方向發(fā)展，葉尖高度超過200米、風輪直徑超過150米的大型風電機組屢見不鮮，如此的發(fā)展趨勢給風能資源評估帶來了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的風能資源評估技術是建立在經(jīng)典近地層相似理論基礎上的，近地層相似理論中假設地表動量通量和熱量通量隨高度不變，此假設僅適用于高度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動，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動。在葉輪掃風范圍內(nèi)，除了風速隨高度變化以外，風向也會隨高度轉(zhuǎn)變，而且風速的垂直分布也不是一個單調(diào)函數(shù)就能描述的。因此，重新認識風特性，拓展或重新建立風能資源評估理論和技術方法，成為近年來國內(nèi)外風電領域的研究重點。

風能資源評估技術發(fā)展現(xiàn)狀

一、風能資源數(shù)據(jù)集

為了構建可公開獲取的全球或區(qū)域高質(zhì)量的精細化風能資源參數(shù)數(shù)據(jù)集，更有效地服務于風電場選址，一些國家或國際組織已經(jīng)啟動了相應的研究計劃。如世界銀行支持的能源系統(tǒng)輔助管理計劃（Energy Sector Management Assistance Program, ESMAP）由丹麥科技大學風能系主持，采用典型樣本中尺度數(shù)值模擬與WAsP降尺度計算結(jié)合的方法，計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。同樣，國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）也在構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驗室（NREL）與AWS Turewind公司合作制作了兩套全國風能資源數(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年中隨機抽取366天樣本進行水平分辨率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資料，對數(shù)據(jù)集進行長年代訂正。虛擬測風塔數(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、時間連續(xù)的風速數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)關注點坐標，再用WindMap降尺度直接得到該點位上時間連續(xù)的風速數(shù)據(jù)。中國氣象局也分別制作了高空間分辨率風能資源數(shù)據(jù)集（1千米×1千米）和高時空分辨率風能資源數(shù)據(jù)集（3千米×3千米，逐小時間隔）。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年風速分布并逐小時輸出。水平分辨率3千米×3千米、時間分辨率1小時的風能資源數(shù)據(jù)，在地域遼闊的平坦地形上可以直接用作虛擬測風塔；在非平坦地形上，可以通過降尺度計算制作虛擬測風塔數(shù)據(jù)。

攝影：李召麒

二、已啟動的重大研發(fā)計劃

當前，提高對風特性認識，改進數(shù)值模擬技術，提高精度，降低風險，高效利用風能，已成為風能資源評估技術的發(fā)展目標。為此，一些重大研發(fā)計劃也已啟動，如美國A2e（Atmosphere To Electrons）和歐盟NEWA（New European Wind Atlas）。

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

歐盟NEWA研究計劃也是2015年啟動的，總體目標是發(fā)展新的風能資源評估動力降尺度模式系統(tǒng)；建立長時間序列的高時空分辨率歐洲風能數(shù)據(jù)集，以及可提供風電項目全生命周期各個階段的風特性數(shù)據(jù)。具體指標為，數(shù)據(jù)時間長度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)可免費獲取。具體研究內(nèi)容包括觀測實驗、多尺度耦合模式系統(tǒng)研發(fā)、歐洲風能數(shù)據(jù)集制作和推廣應用等四個方面。其中觀測實驗選取了非均勻地表、森林覆蓋山地、雙山脊山地、具有復雜中尺度氣象背景場的復雜地形、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探測的方式。多尺度耦合模式系統(tǒng)將在一個開源平臺上開發(fā)，安裝在PRACE歐洲高性能計算網(wǎng)絡中，還能與其他模型進行交互。這樣不僅可以模擬出歐洲風能圖譜，而且可以成為未來風能數(shù)值模擬技術發(fā)展中心。

此外，國際能源署風能課題實施協(xié)議組課題31（IEA-Wind Task 31）的研究活動為美國A2e和歐盟NEWA研究計劃中的科學家提供了一個充分交流的平臺；第一個關于風電場選址風能資源評估的IEC標準（IEC Standard 61400-15）正在制定中。相信未來幾年，建立在對風能資源全新認識基礎上的風能資源測量技術和評估理論與方法會得到廣泛應用。

中國風能資源評估技術發(fā)展方向

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

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