王東元,王思敬

(1.天津城建學(xué)院土木工程系,天津 300384;2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院,北京 100084)

1 前言

能源、環(huán)境成為當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題,以清潔、可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)展的必然。水電和風(fēng)電均屬可再生能源。水利發(fā)電的歷史已經(jīng)很長,技術(shù)已經(jīng)非常成熟,但出于環(huán)?？紤],一些發(fā)達(dá)國家正在探討水電帶來的效益和攔河筑壩帶來的對生態(tài)環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)平衡問題。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。風(fēng)能蘊(yùn)量巨大,全球的風(fēng)能約為2.74×109MW,其中可利用的風(fēng)能為2×107MW,比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。從某種意義上來說,風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀(jì)最具規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一,而且亞洲將在2014年成為世界最大的風(fēng)力發(fā)電場。

利用風(fēng)力來發(fā)電的嘗試始于20世紀(jì)30年代,丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù),成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種超小型的風(fēng)力發(fā)電裝置雖然能提供電力,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)化的程度。20世紀(jì)80至90年代,丹麥、美國等發(fā)達(dá)國家嘗試安裝了單機(jī)容量能工業(yè)化的風(fēng)車,拉開了大規(guī)模開發(fā)、利用風(fēng)能發(fā)電的序幕。風(fēng)力發(fā)電對環(huán)境沒有任何副作用,目前全世界的裝機(jī)容量已經(jīng)超過160 000 MW,并且正以每年約20%的速度遞增;許多專家預(yù)計(jì),到2020年風(fēng)力發(fā)電量會達(dá)到全球電力的12%[1]。作為走出金融危機(jī)陰影、重振美國經(jīng)濟(jì)的手段,美國奧巴馬政府決定斥巨資發(fā)展可再生能源,其中很大一部分是風(fēng)力發(fā)電[2]。中國近20年來經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)付出了環(huán)境污染的沉重代價(jià),能源的短缺也成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,因此中國政府把開發(fā)可再生能源定位為能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于可再生能源利用領(lǐng)域新興的一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域,涉及范圍包括空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)、材料科學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械工程、動(dòng)力工程、電氣工程、控制技術(shù)、氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)等,是世界上近20年才興起并得到蓬勃發(fā)展的邊緣學(xué)科之一。風(fēng)力發(fā)電在中國方興未艾,國家和企業(yè)在研發(fā)上投注巨資,重點(diǎn)放在了機(jī)、電、并網(wǎng)等技術(shù)上,但要成功地建成一座風(fēng)力發(fā)電廠,配套工程必不可少,而且在很多時(shí)候成為建設(shè)風(fēng)電項(xiàng)目的關(guān)鍵。作為對機(jī)、電、并網(wǎng)技術(shù)等的補(bǔ)充,筆者等討論了風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中與土木工程相關(guān)的幾個(gè)問題,比較了風(fēng)電項(xiàng)目中有關(guān)土木工程的規(guī)范情況,著重探討了風(fēng)力量測、評估和風(fēng)速預(yù)測的研究方法,結(jié)合中國國情對風(fēng)電的發(fā)展做出了展望并提出了建議。

2 風(fēng)電中的巖土和工程地質(zhì)問題

在風(fēng)場選址及風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)的過程中,場地的工程地質(zhì)和巖土工程條件與風(fēng)力電廠的輸出功率、建設(shè)成本、運(yùn)營及維護(hù)等要素密切相關(guān),需要對其加以考慮。

2.1 地貌和土壤的反照率

地貌會影響到風(fēng)向和風(fēng)速;土壤反照率本來是天體物理學(xué)的一項(xiàng)研究內(nèi)容,主要研究土壤和陽光輻射的關(guān)系,在風(fēng)電中其內(nèi)容主要包括土壤的含水率、地表的粗糙度以及地表植被等,在天體物理學(xué)中這些參數(shù)和氣候、陸地的模型應(yīng)用相關(guān)[3],在風(fēng)電有關(guān)模型中作為輸入?yún)?shù)來模擬風(fēng)速及其中長期的發(fā)展趨勢[4]。

2.2 風(fēng)場場地的工程地質(zhì)勘察和評價(jià)

基于風(fēng)資源的有限性、可建設(shè)風(fēng)電場的場地局限性,任何一個(gè)風(fēng)電場均是在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)或指定的范圍內(nèi)工作;為避免風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)以及優(yōu)化風(fēng)力電場的投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,大型風(fēng)力電場風(fēng)機(jī)一般布置成幾排,每排綿延數(shù)千米,因此風(fēng)力電場的工程地質(zhì)評價(jià)非常重要。在山區(qū)和比較濕潤的地區(qū),要考慮滑坡和泥石流等;在沿海灘涂、湖畔等地區(qū),要考慮下臥軟土層、松沙層等不良工程地質(zhì)條件。風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)埋在巖土介質(zhì)里,因此比上部結(jié)構(gòu)有利于抗震,但按照美國混凝土協(xié)會的規(guī)范[5],在設(shè)計(jì)時(shí)要將地震荷載和風(fēng)荷載進(jìn)行對比以確定最不利荷載組合。地基變形也需引起足夠的重視,設(shè)計(jì)中應(yīng)該進(jìn)行檢驗(yàn)并控制形變;若在特殊區(qū)域性土如濕陷性黃土、膨脹土廣泛存在的地區(qū)建設(shè)風(fēng)力電場,對場地道路和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要采取具有針對性的設(shè)計(jì)。

風(fēng)機(jī)間距比較大,因此工程地質(zhì)的勘察基本按每機(jī)一孔布孔,變電站、運(yùn)營維護(hù)建筑一般也需要布孔。國外工程實(shí)踐沒有硬性規(guī)定勘察的深度和其他試驗(yàn)指標(biāo),一般按場地的地質(zhì)條件、風(fēng)機(jī)制造商的要求以及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。需要指出的是,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要求地基的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度比較嚴(yán)格,并把基礎(chǔ)變形控制在25 mm以內(nèi),通常要進(jìn)行旁壓試驗(yàn)或者物探確定地基的剛度模量以驗(yàn)算地基的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度[6～8]。如果采用地下電纜,土壤(包括墊層和電纜溝回填土)的熱阻和電阻試驗(yàn)非常重要,這是電纜設(shè)計(jì)的重要根據(jù)。如果是近岸風(fēng)場,地質(zhì)勘察工作就更加復(fù)雜。

2.3 場內(nèi)道路

風(fēng)力電場內(nèi)要建設(shè)場內(nèi)道路。場內(nèi)道路有兩個(gè)作用:一是在建設(shè)時(shí)期運(yùn)輸風(fēng)機(jī)設(shè)備、建筑材料、施工人員等,二是便于對建成的風(fēng)力電場進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)。風(fēng)機(jī)制造商一般會對場內(nèi)道路的縱段和橫斷面坡度、路面寬度、路肩寬度、轉(zhuǎn)彎半徑以及道路半剛性墊層的承載力等提出明確要求,以利風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸安裝。設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和場地的工程地質(zhì)情況,結(jié)合風(fēng)機(jī)制造商提出的要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。美國AASHTO規(guī)范[9]規(guī)定,對運(yùn)輸重型設(shè)備的場區(qū)內(nèi)道路,級配良好的回填砂石料至少要保持10 cm厚度,并碾壓到至少95%(ASTM D 1557/AASHTO T180,重型擊實(shí)試驗(yàn))或98%的密實(shí)度(ASTM D 698/AASHTO T99,一般擊實(shí)試驗(yàn))。修建在軟弱天然地基上的場內(nèi)道路要增加回填砂石料墊層的厚度,必要時(shí)采用土工織物手段進(jìn)行改良,防止風(fēng)機(jī)運(yùn)輸車輛在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)事故。

2.4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),承受風(fēng)荷載,并以彎矩和扭矩的形式通過連結(jié)塔架法蘭和基礎(chǔ)立柱的地腳螺栓傳到基礎(chǔ),同時(shí)基礎(chǔ)還承受上部結(jié)構(gòu)傳下來的重量和水平剪力;傳到基礎(chǔ)的彎矩荷載因單機(jī)容量、塔架高度以及風(fēng)速等的不同而不同,彎矩大約50 000～60 000 kN· m,重量 2 500～2 900 kN,水平剪力600～800 kN,扭矩1 000～1 500 kN·m的量級[6]。對一個(gè)單獨(dú)基礎(chǔ)來說,這樣的荷載量級和組合是相當(dāng)大和復(fù)雜的。

風(fēng)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)非常重要,而且設(shè)計(jì)水平對風(fēng)力電場項(xiàng)目的土木工程造價(jià)比較敏感。文獻(xiàn)[7,8]和文獻(xiàn)[7,9]總結(jié)了目前國內(nèi)外陸地和近岸風(fēng)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式。其中,重力式基礎(chǔ)是目前陸地風(fēng)場項(xiàng)目使用最多的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,其靠自身的質(zhì)量使風(fēng)機(jī)豎立在地面上。圖1是陸上重力式基礎(chǔ)的示意圖,圖2是重力基礎(chǔ)的施工現(xiàn)場。另外,錨桿式基礎(chǔ)也得到應(yīng)用。錨桿式基礎(chǔ)是通過樁帽連結(jié)塔架法蘭和錨桿,并通過錨桿將基礎(chǔ)牢固錨固在巖土介質(zhì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,圖3是錨桿式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的示意圖。

以某電廠2號主變?yōu)槔?，型號為（DFP-240000/500）單相變壓器，每一相額定容量240MVA，每相底部設(shè)計(jì)安裝有2個(gè)注油閥門，閥門型號為DN100黃銅球閥，運(yùn)行中2個(gè)注油閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 陸地風(fēng)場重力式基礎(chǔ)Fig.1 Onshore gravity foundation

圖2 重力式基礎(chǔ)施工Fig.2 Construction of gravity foundation

圖3 陸地風(fēng)場錨桿基礎(chǔ)Fig.3 Onshore rock/soil anchor foundation

除了這兩種經(jīng)典的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式外,還有一些工程咨詢公司推出了獲得專利的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖4是獲得美國專利的P-H基礎(chǔ)正在施工的照片。該基礎(chǔ)用雙層同心的鍍鋅板構(gòu)成混凝土結(jié)構(gòu)的永久外殼,并埋進(jìn)巖土介質(zhì)。雙層鍍鋅板內(nèi)設(shè)置配筋,地腳螺栓也預(yù)埋進(jìn)混凝土內(nèi)。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工簡單,混凝土和鋼筋用量較少,經(jīng)濟(jì)效益較好。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是風(fēng)力電場項(xiàng)目中比較大的土木工程項(xiàng)目。如果設(shè)計(jì)保守,造價(jià)會放大猛增;如果設(shè)計(jì)欠缺,問題會在運(yùn)營中出現(xiàn),導(dǎo)致不可挽回的損失。因此,開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)非常有利于風(fēng)力電場的建設(shè)。

圖4 在施工的P-H基礎(chǔ)Fig.4 Construction of P-H foundation

3 荷載、設(shè)計(jì)荷載系數(shù)和荷載組合問題

長期的風(fēng)速均值和分布以及風(fēng)切變都是對風(fēng)能產(chǎn)量至關(guān)重要的考慮因素,風(fēng)速荷載預(yù)測一般通過現(xiàn)場量測并把量測結(jié)果、歷史記錄以及其他地形、土壤粗糙度、植被情況等輸入軟件進(jìn)行各種風(fēng)力數(shù)據(jù)的分析和模擬[4]。風(fēng)機(jī)制造商會在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和待機(jī)兩種情況下對10 min的速度均值做大量的荷載模擬,并考慮不同規(guī)范、不同安全系數(shù)下用數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段決定設(shè)計(jì)荷載。因此,對土木工程,尤其是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì),最好直接采用風(fēng)機(jī)制造商提供的數(shù)據(jù)。

模擬的風(fēng)荷載一般分為Abnormal,Extreme以及Operating荷載。Abnormal荷載指不太可能遇到的非正常荷載,如大颶風(fēng)等。Extreme荷載指風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命期50年內(nèi)可能遇到的唯一一次荷載,因此他們比一天、一周、一個(gè)月反復(fù)遇到的荷載(一般指運(yùn)行荷載)一般要大很多[11]。文獻(xiàn)[8]模擬結(jié)果顯示月平均荷載可能是Extreme荷載的16%～60%。但同時(shí)也指出,運(yùn)行荷載有時(shí)也大于Extreme荷載,特別是在大陸氣候的待機(jī)狀態(tài)下。因此選用設(shè)計(jì)荷載要根據(jù)風(fēng)機(jī)制造商提供的荷載情況、設(shè)計(jì)規(guī)范以及風(fēng)電項(xiàng)目具體的工程情況決定。

表1總結(jié)了國內(nèi)外規(guī)范對風(fēng)荷載荷載系數(shù)的規(guī)定。風(fēng)機(jī)制造商不提供荷載組合模式,因此應(yīng)根據(jù)土木類相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

表1 國內(nèi)外規(guī)范中風(fēng)荷載的荷載系數(shù)取值[12～16]Table 1 Wind load factors in different codes

4 有關(guān)風(fēng)電中土木類的設(shè)計(jì)規(guī)范討論

根據(jù)筆者對國內(nèi)外風(fēng)電項(xiàng)目相關(guān)文獻(xiàn)的了解,與風(fēng)電中土木工程問題有直接關(guān)系的比較流行的規(guī)范和指導(dǎo)手冊目前有兩個(gè),文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[12],但也僅僅是其中的幾個(gè)章節(jié)有所涉及。文獻(xiàn)[7]是丹麥羅素國家實(shí)驗(yàn)室就風(fēng)力發(fā)電頒布的一部指導(dǎo)手冊,內(nèi)容涉及到了風(fēng)機(jī)制造和安裝等內(nèi)容。文獻(xiàn)[12]則是國際電力委員會就風(fēng)電頒布的一部標(biāo)準(zhǔn),為保證風(fēng)電設(shè)施的安全運(yùn)行,在其中對土木工程問題做了一些規(guī)定和要求。在風(fēng)電建設(shè)中,從設(shè)計(jì)到施工各個(gè)環(huán)節(jié)的土木工程往往需要參照、結(jié)合國際或者當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)規(guī)范,比如除了上面的有關(guān)討論外,連結(jié)塔架法蘭和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地腳螺栓抗拔驗(yàn)算一般按美國混凝土協(xié)會針對核電建設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范執(zhí)行,而風(fēng)荷載導(dǎo)致的地腳螺栓的受力分析借用美國土木工程學(xué)會頒布的針對石油化工業(yè)的風(fēng)荷載和地腳螺栓設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊。

圖5 風(fēng)電項(xiàng)目中的工程事故Fig.5 Mis-design caused accidents in wind projects

5 對風(fēng)電項(xiàng)目中一些研究問題的思考

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及的學(xué)科廣,而且發(fā)展迅速,需實(shí)時(shí)關(guān)注、跟蹤本學(xué)科的準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)。根據(jù)筆者等對文獻(xiàn)和行業(yè)動(dòng)態(tài)的了解,目前引起業(yè)界重視的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的關(guān)鍵技術(shù)問題包括:風(fēng)能資源普查和評估技術(shù),風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)測技術(shù)(實(shí)質(zhì)是風(fēng)速預(yù)測技術(shù))、風(fēng)力發(fā)電全系統(tǒng)仿真技術(shù)、風(fēng)機(jī)、葉片的制造技術(shù)和新材料的應(yīng)用、風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、風(fēng)電并網(wǎng)及穩(wěn)定性技術(shù),海上風(fēng)電技術(shù)包括陸地風(fēng)場工程設(shè)計(jì)和施工等[17～19]。針對前兩個(gè)地方特色明顯的問題,做了如下思考和討論:

5.1 風(fēng)資源量測、風(fēng)資源評估和風(fēng)速預(yù)測問題

風(fēng)資源量測和評估技術(shù)早就有之,問題的關(guān)鍵是量測和評估的精度。影響風(fēng)資源量測和評估精度的因素包括設(shè)備偏差、量測時(shí)間、高度以及數(shù)據(jù)處理問題。風(fēng)速測量設(shè)備包括風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)和數(shù)據(jù)記錄器等。目前國內(nèi)外均有制造,但精度不一,因此對設(shè)備應(yīng)進(jìn)行測試、評估,在量測中盡量用高精度的設(shè)備。為建設(shè)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場,國外要現(xiàn)場持續(xù)量測風(fēng)速3年,積累大量資料,并在分析軟件中輸入40年的歷史測風(fēng)數(shù)據(jù)和具體場地的數(shù)據(jù),測風(fēng)塔的高度一般不低于50 m。近年來隨著技術(shù)引進(jìn),我國在風(fēng)資源量測技術(shù)方面進(jìn)步很快,但國內(nèi)在風(fēng)況數(shù)據(jù)的積累,特別是風(fēng)況歷史資料的積累方面與國外還有一定的差距。

在近岸風(fēng)資源的量測技術(shù)上,文獻(xiàn)[20]指出1990年前用于近海風(fēng)能的現(xiàn)場測風(fēng)資料是很少的,多數(shù)風(fēng)資料是從氣象觀測、船只觀測以及海洋石油平臺上的觀測資料獲得。文獻(xiàn)[21]評述說用海洋測風(fēng)塔或者氣象塔搜集的海洋風(fēng)速數(shù)據(jù)比較零散,互不關(guān)聯(lián),因此用海洋測風(fēng)塔收集到的風(fēng)況資料是否適合用來建設(shè)海洋風(fēng)場是個(gè)疑問。文獻(xiàn)[9]報(bào)道中國長江三峽集團(tuán)公司利用建設(shè)在江蘇響水附近的海洋測風(fēng)塔收集測風(fēng)速數(shù)據(jù)和海洋數(shù)據(jù);而在國外,近幾年來衛(wèi)星遙感技術(shù)(satellite borne remotesensing)已被用來導(dǎo)出、評價(jià)臨近海平面的風(fēng)速資料和風(fēng)資源[22],這其中包括安裝在美國NASA的Quick-SCAT衛(wèi)星上的海洋測風(fēng)器(sea wind scatterometer),歐洲空間署ERSt1/2衛(wèi)星上的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radars,SAR),以及安裝在 ESA Envisat衛(wèi)星上的改進(jìn)合成孔徑雷達(dá)(advanced synthetic aperture radars,ASAR),文獻(xiàn)[20～29]對這些技術(shù)的應(yīng)用和精度做了詳細(xì)的評估,結(jié)論是這些技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是觀測范圍廣,局限是需要截取大量的數(shù)據(jù)和圖像以保證精度,用SAR方法量測海平面10 m以上風(fēng)速偏差可以控制在0.35 m/s,均方差2 m/s,和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)度達(dá)到90%,但近岸風(fēng)機(jī)的高度一般在海平面100 m左右,在豎向上怎么外推風(fēng)速仍具有挑戰(zhàn)性。

風(fēng)資源的評估主要有應(yīng)用現(xiàn)場風(fēng)速的量測和數(shù)值模擬兩種技術(shù)。現(xiàn)場風(fēng)速量測包括氣象站的資料和風(fēng)場測風(fēng)塔的監(jiān)測資料[30,31]。風(fēng)力發(fā)電量是和風(fēng)速呈立方關(guān)系,風(fēng)速和高度又呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系[32,33],因此風(fēng)場中風(fēng)速的些許變化會引起輸出風(fēng)電的較大波動(dòng)。文獻(xiàn)[30]指出由于國內(nèi)現(xiàn)有的氣象觀測站的觀測高度,地域分布密度和分布間距,以及多數(shù)處在城市邊緣位置等原因,基于氣象站觀測資料的風(fēng)能資源評估還不能滿足中國制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃對風(fēng)能資源評估的需求。國外一般建立不同高度的測風(fēng)塔(如印度一般用20～25 m的測風(fēng)塔,歐洲、美國一般用50 m以上的測風(fēng)塔)進(jìn)行監(jiān)測,然后用專門數(shù)值分析和模擬軟件結(jié)合現(xiàn)場測風(fēng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)(氣象資料)以及場地的地貌、氣候等進(jìn)行風(fēng)資源的評估[33]。在數(shù)值模擬方面,又分為中尺度(mesoscale,大于5 km間距)和微尺度(風(fēng)力電場尺度,1 km或者小于1 km尺度),有關(guān)軟件在國際上有丹麥的WAsP微尺度風(fēng)場數(shù)值模擬軟件,美國的中尺度MesoMap和微尺度的SiteWind數(shù)值模擬和分析軟件;文獻(xiàn)[32]報(bào)道加拿大氣象局將中尺度模式MC2與小尺度模式Ms2micro相結(jié)合建立了WEST(wind energy simulation toolkit)數(shù)值模式系統(tǒng),制作了加拿大5 km ×5 km分辨率的風(fēng)能資源圖譜,并對部分地區(qū)進(jìn)行了1 km ×1 km的風(fēng)能資源數(shù)值模擬。在國內(nèi),中山大學(xué)在科技部“863”計(jì)劃的支持下開發(fā)了基于中尺度數(shù)值分析模式和地理信息系統(tǒng)的風(fēng)電場風(fēng)能資源評估軟件系統(tǒng);2005年中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心引進(jìn)了加拿大氣象局風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上經(jīng)過本地化的改進(jìn)后,建立了中國氣象局風(fēng)能資源數(shù)值模式系統(tǒng),并用來模擬分析了江蘇省和青海省的風(fēng)力資源[32]。

上述工作的目的是為了較準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)速,從而預(yù)測風(fēng)力發(fā)電量。文獻(xiàn)[28,31]指出馮卡門反應(yīng)譜對風(fēng)洞中的湍流描述比較好,實(shí)際上馮卡門湍流理論正是微尺度風(fēng)力數(shù)值模擬的基礎(chǔ),而中尺度主要采用氣象模型。但風(fēng)資源最大的一個(gè)特點(diǎn)是變化性,風(fēng)速會隨時(shí)間、氣候和地理因素的變化而變化,量測的手段、設(shè)備和軟件的分析水平也對風(fēng)資源的量測、評估以致預(yù)測誤差有重要的影響。因此,在馮卡門基本理論的基礎(chǔ)上,這些數(shù)值模擬分析技術(shù)采用了一些數(shù)學(xué)手段來降低預(yù)測的不定性和誤差。這些數(shù)學(xué)技術(shù)包括:a.算術(shù)平均。b.基于時(shí)間序列分析的ARMA模型。c.基于時(shí)間序列分析的ARX模型和遞歸最小二乘法的耦合方法等[30,34～36]。國內(nèi)文獻(xiàn)鮮有數(shù)學(xué)處理方法上的報(bào)道。

從以上分析來看,我國的風(fēng)資源量測和評估在設(shè)備和數(shù)據(jù)處理技術(shù)上與國外相比存在差距,尤其是在風(fēng)況歷史數(shù)據(jù)的積累方面,差距較大。風(fēng)力發(fā)電在中國會有一個(gè)相當(dāng)長的發(fā)展期,因此筆者等建議認(rèn)真做好國內(nèi)的風(fēng)資源的量測和評估,盡可能多地設(shè)立測風(fēng)塔,做好風(fēng)況數(shù)據(jù)的積累和分析工作。在有關(guān)數(shù)據(jù)處理的理論方法上,除了在數(shù)值模擬分析中提及的數(shù)學(xué)方法外,應(yīng)用貝葉斯方法處理不定性并做出風(fēng)力預(yù)測,并結(jié)合其他數(shù)學(xué)手段開發(fā)國產(chǎn)風(fēng)力模擬分析軟件可能會是一個(gè)比較合適的方向。

5.2 全國和地區(qū)級的風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫和風(fēng)資源分布圖

國外風(fēng)資源的量測數(shù)據(jù)和評估結(jié)果都存進(jìn)數(shù)據(jù)庫并輸出到基于GIS的圖形上。文獻(xiàn)[30]指出美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室對中國的東南地區(qū)風(fēng)力資源做了分析并形成了分布圖,丹麥Risφ新能源實(shí)驗(yàn)室也用衛(wèi)星SAR方法對中國廣東、福建兩省風(fēng)資源進(jìn)行了量測和評估[37]。國內(nèi)不少人士也呼吁建立基于GIS系統(tǒng)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)和評估系統(tǒng)[38]。根據(jù)網(wǎng)上調(diào)查,國內(nèi)已有風(fēng)資源分布圖但版本不同,頒布單位不同,地域范圍不同,精確度也廣受懷疑。根據(jù)美國的經(jīng)驗(yàn)[39],筆者等認(rèn)為建立全國性、多層次、多級別的風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫和資源分布圖非常必要,具體工作宜由國家專職部門牽頭,研究單位和私人咨詢公司聯(lián)合參加,并將有關(guān)測風(fēng)數(shù)據(jù)用國內(nèi)開發(fā)和國外通用的數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,以保證工作的質(zhì)量和數(shù)據(jù)、圖像的可靠性。

6 結(jié)語

中國的風(fēng)電建設(shè)給開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的制造技術(shù)、仿真技術(shù)、模擬分析和預(yù)測技術(shù)、工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在研究攻關(guān)的同時(shí),應(yīng)投入人力、物力做好風(fēng)力資源的量測和評估,建立永久的數(shù)據(jù)庫,儲備相關(guān)圖形文件,在這些技術(shù)領(lǐng)域做到專業(yè)、規(guī)范,并形成可靠的、成熟的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系,以便我國更好地利用風(fēng)力資源。風(fēng)力電場的建設(shè)在考慮風(fēng)資源和電量輸出的同時(shí),也應(yīng)考慮土地的綜合利用,充分利用沿海灘涂、湖泊坡地等。目前陸上風(fēng)場的建設(shè)比較多,但同時(shí)也應(yīng)跟蹤研究近岸風(fēng)場的一系列技術(shù)。

[1]Global wind energy council.A blueprint to achieve world’s 12%electricity from wind power by 2020[R].Washington D.C.:Global Wind Energy Council,2005.

[2]111thUnited States Congress.American Recovery and Reinvestment Act of 2009[M].Washington D.C.:Global Wind Energy Council,2009.

[3]Fontes A F.Soil albedo in relation to soil color,moisture and roughness[D].USA:the University of Arizona,1996.

[4]Renewable energy system-Americas[R].USA:Internal Document,2006.

[5]ACI Committee 318.Building code requirements for structural concrete(ACI 318-05)and commentary(ACI 318R-05)[S].USA,2005.

[6]Wang D.Ground modulus measurement and interpretation for wind turbine foundations[C]//Proc.17thInternational Conference of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering,Egypt,2009.

[7]Risφnational laboratory.Guidelines for design of wind turbines[S].Denmark,2003.

[8]Bonnet D.Wind turbine foundations–loading,dynamics and design,presented to evening meeting[C]//17 February 2005 at IStructE.London:11 Upper Belgrave Street,2005.

[9]張超然,李 婧,劉 星.海上風(fēng)電場建設(shè)重大問題探討[J].中國工程科學(xué),2010,12(11):10-15.

[10]National Goperative Highway Research Program.Design of pavement structures[S].USA:AASHTO,1993.

[11]Peterka J,Shihad S.Design gust wind speeds in the United States[J].Journal of Structural Engineering,1998,124(2):207-214.

[12]International Electrotechnical Commission.Wind turbine generator systems–part 1:safety requirements[S].

[13]Eurocode 2:design of concrete structures[S].DD ENV 1992-1-1:1992.

[14]British standard 8110-1997 and 1985[S].

[15]Rè gles BAEL 91 ré visé es 99,fé vrier 2000[S].DTU P 18-702.

[16]中華人民共和國建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,GB50009-2001[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[17]王曉蓉,王偉勝,戴慧珠.我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀和展望[J].中國電力,2004,37(1):81-84.

[18]于建輝,周 浩.我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望[J].風(fēng)電技術(shù),2006,6:46-50.

[19]張新房,徐大平,呂躍剛,等.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及若干問題[J].現(xiàn)代電力,2003,20(5):29-34.

[20]Sempreviva A M,Barthelmie R J,Pryor S C.Review of methodologies for offshore wind resource assessment in european seas[J].Surveys in Geophysics,2008,29(6):471-497.

[21]Yan D,Kozai K.Literature review on evaluation methods of offshore wind energy resources in China[R].Japan:Kobe University,2011.

[22]Pimenta F,Kempton W,Garvine R.Combining metrological stations and satellite data to evaluate offshore wind power resources in Southeastern Brazil[J].Renewable Energy,2008,33(11):2375-2387.

[23]Christensen M B,Koch W,Horstman J,et al.Wind resources assessment from C-band SAR[J].Remote Sensing of Environment,2006,105(1):15.

[24]Quilfen Y,Chapron B.The ERS scatterometer wind measurement accuracy:evidence of seasonal and regional biases[J].Journal of Atmospheric and Ocean Technology,2001,18(10):1684-1697.

[25]Sempreviva A M,Barthelmie R,Giebel G,et al.Offshore wind resource assessment in european seas[J].Surveys in Geophysics,2007,29(6):471-497.

[26]Christophe A,Stefano Z,Alfredo L,et al.Comparison of 10-M wind forecasts from a regional area model and quikscatscatterometer wind observations over the mediterranean sea[J].Monthly Weather Review,2007,135(5):1945-1959.

[27]Lehner S,Horstmann J,Koch W,et al.Mesoscale wind measurements using recalibrated ERS SAR Images[J].Journal of Geophysical Research,1998,103(C4):7847-7856.

[28]Petersen E L,Mortensen N G,Landberg L,et al.Wind power meteorology,part I:climate and turbulence[J].Wind Energy,1998,1(1):2-22.

[29]Petersen E L,Mortensen N G,Landberg L,et al.Wind power meteorology.part II:siting and models[J].Wind Energy,1998,1(1):55-72.

[30]李澤椿,朱 蓉,何曉鳳,等.風(fēng)能資源評估技術(shù)方法研究[J].氣象學(xué)報(bào),2007,65(5):708-717.

[31]Shikha Singh,Bhatti T S,Kothari,et al.A review of wind resource assessment technology[J].Journal of Energy Engineering,2006,132(1):8-14.

[32]Justus C G,Mikhail A.Height variation of wind speed and wind distributions statistics[J].Geophysical Research Letters,1976,3(5):261-264.

[33]Johnson G L.Wind Energy System[M].USA:Electronic Version,2006.

[34]Bossanyi E A.Short-term stochastic wind prediction and possible control applications[C]//Proceedings Delphi Workshop on Wind Energy Applications.USA:Pacific Northwest Labs,1985.

[35]Kariniotakis G,Nogaret E,Stavrakakis G.Advanced short-term forecasting of wind power production[R].Ireland:Proceedings European Wind Energy Conference,1997.

[36]Nielsen T L,Madsen H.Experiences with statistical methods for wind power prediction[R].France:European Wind Energy Conference,1999.

[37]Badger M.Satellite SAR wind resource mapping in China[S].Roskilde:RisφNational Laboratory for Sustainable Energy Technical University of Denmark,2009.

[38]余 志,李曉燕,鄧院昌.建立基于 Web GIS的風(fēng)資源分析與評估系統(tǒng)[C]//第十四屆水動(dòng)力學(xué)研討會文集.北京:海洋出版社,2004.

[39]Elliott D,Schwartz M,Scott G,et al.Wind resources assessment and mapping[S].American:NREL/NWTC,2007.