風能資源評估技術進展

劉飛虹

摘要：隨著我國的經濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，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。

關鍵詞：風能資源；評估；技術

引言

根據(jù)中國第四次風能資源詳查和評價工作結果，中國近海5～50m水深線以內的風能資源技術開發(fā)量為5億kW，海上風能資源豐富。根據(jù)全球風能理事會的數(shù)據(jù)，2017年中國海上風電新增裝機容量116萬kW，累計總裝機容量達279萬kW，全球排名第三。海上風電項目的開發(fā)需考慮風能資源、海洋水文、海底地質條件、電網(wǎng)接入和消納等多方面的因素。其中，風能資源的測量及評估是海上風電項目開發(fā)的基礎。

1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、氣壓梯度力和地轉偏向力三力平衡作用下的大氣運動。在葉輪掃風范圍內，除了風速隨高度變化以外，風向也會隨高度轉變，而且風速的垂直分布也不是一個單調函數(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，成為近年來國內外風電領域的研究重點。

2分散式風電風能資源評估關鍵技術

2.1虛擬測風塔技術

虛擬測風塔技術是指，將風電行業(yè)的兩大數(shù)據(jù)——測風塔觀測數(shù)據(jù)和中尺度數(shù)據(jù)進行融合，根據(jù)不同的地形條件及項目特點使用不同的后處理方式，在230多萬種排列組合的結果中比選更優(yōu)的方案結果，結合人工智能方法進行后處理，輸出完整年風速數(shù)據(jù)，提升中尺度風速模擬精度?，F(xiàn)有的虛擬測風技術以金風科技的GOLDWRF技術為主要代表，通過大量數(shù)據(jù)驗證GOLDWRF輸出的虛擬測風塔數(shù)據(jù)，在平原地形下風速誤差約在0.1～0.3米/秒；對于復雜的山地地形，風速誤差約在0.3～0.5米/秒。在項目的前期規(guī)劃階段，通過虛擬測風塔技術可以為分散式風電項目的資源評估提供相對準確的風能資源數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)“盲人摸象”的情況。

2.2無人機三維建模技術

所見即所得。無人機三維建模技術是分散式風電項目地形數(shù)據(jù)獲取的新途徑，它基于空中航空攝影測量原理，利用高清影像和相應的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，經過空中三角測量和構建模型等過程生成覆蓋區(qū)域的三維實景模型，生成不同分辨率/覆蓋面積的三維實景模型，模型分辨率可高達厘米級，地物清晰可見。具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高分辨率等特點。憑借自身的技術優(yōu)勢，可快速、高效獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，無人機三維建模技術成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補充手段。將無人機采集回來的數(shù)據(jù)進行三維建模，生成超高厘米級分辨率的物理三維模型，通過結合VR、AR技術，還原現(xiàn)實分散式風電真實場景。通過對分散式風電項目進行三維建模，不但可以減少時間經濟成本，更能直觀了解項目現(xiàn)場情況，為項目設計提供地形信息數(shù)據(jù)。

2.3風電大數(shù)據(jù)技術

通過對分散式風電項目進行定位，利用風電大數(shù)據(jù)平臺自動匹配附近20千米以內已建成的風電場或者是周邊以往的測風數(shù)據(jù)，對分散式風電項目的資源進行準確評估。每一臺風電機組就是一座測風塔。經過數(shù)十年的發(fā)展，全國范圍內已經有大約8萬臺機組正在運行中，通過機艙傳遞函數(shù)，將SCADA記錄的風速數(shù)據(jù)還原到葉片前的自由流風速；通過風角、偏航角等參數(shù)還原機組位置處的風向；通過SCADA記錄的秒級數(shù)據(jù)，對場區(qū)的湍流進行數(shù)學統(tǒng)計計算。利用運行機組數(shù)據(jù)有效、準確地評估分散式風電項目場區(qū)內風況，也是在場區(qū)內無塔情況下最好的資源評估辦法。

2.4激光雷達補測技術

激光雷達具有體積小、觀測域廣、便于移動的特點，借助激光雷達對分散式風電項目進行至少3個月的風速、湍流、切變觀測，進一步獲取項目風能資源參數(shù)，保證機組的安全性，降低投資的不確定性。通過激光雷達觀測的風速數(shù)據(jù)，可用于分析選用項目風區(qū)發(fā)電量最優(yōu)的機型；通過激光雷達觀測的湍流數(shù)據(jù)，可用于分析選用適應場區(qū)湍流風況安全的機型；通過激光雷達觀測的切變數(shù)據(jù)，可用于分析選用更適合場區(qū)經濟性的輪轂塔架高度機組。激光雷達補測技術為分散式風電項目資源評估中不可缺少的手段，能夠直接有效地保障機組的安全性。

3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。

結語

隨著政策在全國的落地，分散式風電將進入快速發(fā)展期，并帶動風電行業(yè)裝機量持續(xù)快速增長，資源評估的重要性將得到進一步凸顯。在開發(fā)分散式風電項目中，優(yōu)先推薦運用測風塔對場區(qū)進行測風、準確的資源評估。在無測風塔的項目中，首先，通過風電大數(shù)據(jù)技術、虛擬測風塔技術、激光雷達補測技術獲取項目的氣象數(shù)據(jù)；再通過無人機三維建模技術、地物識別技術獲取地理信息數(shù)據(jù)；最后，通過高精度仿真技術來模擬項目的資源分布，保證項目設計的經濟性和安全性。數(shù)字化、大數(shù)據(jù)技術的進步為分散式風電項目的發(fā)展保駕護航。

參考文獻

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（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）