文 | 朱重喜 張果宇

實(shí)現(xiàn)中尺度區(qū)域風(fēng)能資源仿真的方法及應(yīng)用

文 | 朱重喜 張果宇

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展迅速，三北地區(qū)、沿海地區(qū)、以及內(nèi)陸山地都積極開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源，了解場(chǎng)址及區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源是開(kāi)發(fā)風(fēng)電的第一步?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)風(fēng)電開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)企業(yè)大量建設(shè)測(cè)風(fēng)塔以了解風(fēng)能資源分布，但數(shù)據(jù)表明約一半數(shù)量的測(cè)風(fēng)塔所測(cè)區(qū)域的風(fēng)能資源并不理想，在目前技術(shù)條件下無(wú)法進(jìn)行風(fēng)電開(kāi)發(fā)，浪費(fèi)了不少資金、時(shí)間和精力。

通過(guò)中尺度區(qū)域風(fēng)能資源仿真評(píng)估可分析出較大范圍內(nèi)的風(fēng)能資源情況，分析出資源較優(yōu)區(qū)域，適合風(fēng)電開(kāi)發(fā)的場(chǎng)址區(qū)域，便于開(kāi)展風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址工作，也可以在合理區(qū)域設(shè)置測(cè)風(fēng)塔，避免設(shè)置無(wú)利用價(jià)值的測(cè)風(fēng)塔，節(jié)約資金和時(shí)間。

應(yīng)用現(xiàn)狀

中尺度區(qū)域風(fēng)能資源仿真評(píng)估工作可以了解該區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源分布狀況，評(píng)估可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源區(qū)域，便于風(fēng)電場(chǎng)前期開(kāi)發(fā)，也可以針對(duì)大區(qū)域內(nèi)典型和特殊風(fēng)能資源條件，找到相適應(yīng)的典型風(fēng)能資源條件機(jī)型。

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)商、風(fēng)電機(jī)組制造商和設(shè)計(jì)院只對(duì)設(shè)立氣象站和測(cè)風(fēng)塔附近的小區(qū)域（5km－10km）進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估工作，能做到微觀選址程度，區(qū)域局限性較大。大區(qū)域風(fēng)能資源評(píng)估只有中國(guó)氣象局等少數(shù)單位在做相應(yīng)工作，但并不完全針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用。例如中國(guó)氣象局對(duì)江蘇省中尺度區(qū)域進(jìn)行了風(fēng)能資源評(píng)估，但未做浙江省、廣東以及內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)能資源評(píng)估。福建省氣象中心對(duì)福建省區(qū)域風(fēng)能資源仿真評(píng)估也做了有益的分析。

國(guó)外一些咨詢(xún)公司、科研單位有開(kāi)展相應(yīng)的大尺度和中尺度區(qū)域風(fēng)能資源仿真評(píng)估工作，比如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL等。方法有通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)得到風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，也有通過(guò)仿真分析得出風(fēng)能資源數(shù)據(jù)等。國(guó)內(nèi)也有萊維賽爾等測(cè)風(fēng)及咨詢(xún)公司開(kāi)展相應(yīng)工作。

風(fēng)能資源仿真分析技術(shù)

一、風(fēng)能資源仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

風(fēng)能資源仿真技術(shù)主要有基于線性模型（經(jīng)驗(yàn)公式綜合計(jì)算）的仿真計(jì)算和基于CFD技術(shù)（計(jì)算流體力學(xué)）對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行仿真模擬。

線性模型風(fēng)能資源仿真技術(shù)軟件由實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算和模擬風(fēng)能資源。目前主要有WAsP、Windfarmer和Windpro等軟件，應(yīng)用廣泛。當(dāng)在復(fù)雜的地形條件下，坡度大于17度時(shí)，基于線性模型下的軟件WAsP所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果就會(huì)帶來(lái)很大的不確定性。

CFD風(fēng)能資源仿真技術(shù)根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行模擬求解，將幾何區(qū)域分解為小的網(wǎng)格，并在其中求解復(fù)雜的偏微分方程組，以此來(lái)模擬場(chǎng)址內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)情形，可較好的計(jì)算出相對(duì)復(fù)雜地形下的風(fēng)流分布情況，因此可以用于相對(duì)復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場(chǎng)選址及風(fēng)能資源。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于復(fù)雜地形，尤其是坡度超過(guò)17度，CFD技術(shù)具有較高的計(jì)算精度。目前主要有Meteodyn WT和Windsim等軟件。

二、兩種計(jì)算原理的比較

WAsP、Windfarmer和Windpro軟件是基于線性模型（經(jīng)驗(yàn)公式綜合計(jì)算）的計(jì)算軟件。而MeteodynWT和Windsim軟件的建模是基于CFD技術(shù)，可以更合理仿真氣動(dòng)流體，減少?gòu)?fù)雜地形計(jì)算結(jié)果的不確定性。

線性模型計(jì)算軟件由實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算和模擬風(fēng)能資源，如圖一所示。

尾流區(qū)中的風(fēng)速降低也由計(jì)算公式推導(dǎo)：

式中：Udownwind為下風(fēng)向平均風(fēng)速，x為間距，Ct為風(fēng)電機(jī)組推理系數(shù)，Drotor為風(fēng)輪直徑，k為衰減系數(shù)。

計(jì)算流體力學(xué)軟件使用的CFD技術(shù)（計(jì)算流體力學(xué)）是通過(guò)計(jì)算機(jī)的幫助對(duì)流體進(jìn)行模擬。CFD技術(shù)根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行模擬求解，將幾何區(qū)域分解為小的立方體空間（即通常我們所說(shuō)的網(wǎng)格），并在其中求解復(fù)雜的偏微分方程組。CFD技術(shù)網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

三維不可壓縮瞬時(shí)Navier Stokes方程的基本形式：

三、風(fēng)能資源仿真分析軟件簡(jiǎn)介

下面簡(jiǎn)介基于線性模型下的軟件WAsP和Windfarmer；基于CFD模型下的軟件Meteodyn WT和WindSim。

（一） WAsP軟件

WAsP軟件是目前國(guó)際認(rèn)可的進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算與風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)化布置通用軟件。WAsP是風(fēng)力氣象預(yù)報(bào)、風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)能預(yù)報(bào)的PC平臺(tái)應(yīng)用工具，它是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力評(píng)估軟件。服務(wù)于風(fēng)力氣象和風(fēng)力相關(guān)產(chǎn)業(yè)超過(guò)15年，成為基于PC的風(fēng)能資源評(píng)估軟件的標(biāo)準(zhǔn)。目前在100余個(gè)國(guó)家有超過(guò)2000的用戶(hù)。WAsP軟件界面如圖三所示。

（二） Windfarmer軟件

Windfarmer軟件是基于WAsP計(jì)算內(nèi)核。WindFarmer軟件主要用于分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)，可同時(shí)考慮地形和尾流效應(yīng)來(lái)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)電能產(chǎn)量；對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行產(chǎn)能最大化和成本最小化的設(shè)計(jì)，并使其符合自然條件、規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程建設(shè)的要求；具有先進(jìn)的制圖工具，還能進(jìn)行風(fēng)力流動(dòng)計(jì)算、噪音計(jì)算和風(fēng)速數(shù)據(jù)的測(cè)量－相關(guān)聯(lián)－預(yù)測(cè)分析（MCP）。采用可視化工具創(chuàng)建集錦照片，包括圖像動(dòng)畫(huà)、風(fēng)電場(chǎng)電纜視圖顯示、陰影閃爍分析和創(chuàng)建視覺(jué)影響區(qū)域地圖。

WindFarmer軟件界面如圖4所示。

（三）MeteodynWT軟件

圖1 線性軟件計(jì)算原理示意圖

圖2 CFD技術(shù)網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 WAsP軟件界面

MeteodynWT軟件是法國(guó)美迪順風(fēng)公司(Meteodyn)開(kāi)發(fā)出的一款針對(duì)復(fù)雜地形的風(fēng)能資源評(píng)估軟件。該軟件的核心是一組專(zhuān)門(mén)用于大氣流研究的流體力學(xué)計(jì)算編碼(CFD)，所有可能在實(shí)際中加以利用的風(fēng)能都屬于大氣流的研究范疇。氣流特征和能量分布圖可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下得以清楚地呈現(xiàn)。MeteodynWT能夠顯著降低由于復(fù)雜地形(高山，森林，灘涂等)所產(chǎn)生的風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)方面的不確定性，提高風(fēng)能資源評(píng)估準(zhǔn)確性。 Meteodyn WT軟件界面如圖5所示。

（四）WindSim軟件

WindSim軟件是由挪威WindSim公司開(kāi)發(fā)的基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的風(fēng)能資源分析評(píng)估與風(fēng)電場(chǎng)選址設(shè)計(jì)軟件。WindSim軟件是求解風(fēng)場(chǎng)邊界條件下的流體力學(xué)微分方程，獲得微觀風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的基本流動(dòng)細(xì)節(jié)，根據(jù)空氣流動(dòng)的能量分布，安排風(fēng)電機(jī)組處于高風(fēng)能區(qū)。其湍流模型采用湍流動(dòng)能耗散率閉合方案。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模塊適用計(jì)算流體力學(xué)商用軟件Pheonics的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格解算器部分。WindSim能夠計(jì)算氣流在三維方向上的變化；計(jì)算規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)任何位置的湍流強(qiáng)度；風(fēng)速與風(fēng)向在葉輪掃風(fēng)面內(nèi)的變化；規(guī)劃風(fēng)場(chǎng)任何位置的垂直風(fēng)廓線。

分析的思路和辦法

通過(guò)收集相關(guān)區(qū)域的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、數(shù)字地形圖等資料，構(gòu)建計(jì)算模型，不論是線性計(jì)算模型還是流體仿真計(jì)算模型都可以提供有益的參考價(jià)值。進(jìn)而與區(qū)域內(nèi)已知的其他測(cè)風(fēng)資料比較分析，完善計(jì)算模型。

1 收集和整理大區(qū)域內(nèi)相關(guān)氣象站和測(cè)風(fēng)塔風(fēng)能資源數(shù)據(jù)。

2 收集和整理大區(qū)域內(nèi)相關(guān)數(shù)字化地圖。

3 針對(duì)區(qū)域位置和氣候條件等因素，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真計(jì)算軟件，并設(shè)定相應(yīng)參數(shù)。

4 處理并分析仿真計(jì)算結(jié)果。

5 分析得出大區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源分布狀況，可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源地區(qū)，典型及特殊風(fēng)能資源條件和相適應(yīng)機(jī)型等結(jié)論。

應(yīng)用實(shí)施案例

為說(shuō)明數(shù)據(jù)的選取途徑和仿真方法，對(duì)某個(gè)區(qū)域（直徑約100km）進(jìn)行中尺度的風(fēng)能資源仿真分析。

一、 收集和整理測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

區(qū)域內(nèi)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)盡量多收集起來(lái)，包括測(cè)風(fēng)塔的位置，經(jīng)緯度，年平均風(fēng)速，湍流強(qiáng)度，最大風(fēng)速，極大風(fēng)速等材料，并制成風(fēng)能資源tab文件（包括威布爾分布圖6、風(fēng)向玫瑰圖圖7等）。

圖4 WindFarmer軟件界面

圖5 Meteodyn WT軟件界面

本案例采用某測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，年平均風(fēng)速7.35m/s，主風(fēng)向S，NW。

二、中尺度大區(qū)域數(shù)字化地圖處理

選用Global Mapper繪制并導(dǎo)出大區(qū)域中尺度數(shù)字化地圖，如圖8所示。由于該區(qū)域面積較大，范圍直徑約100公里，選取等高線每50m一根。在滿(mǎn)足分析精度基礎(chǔ)上避免地圖文件過(guò)大。小區(qū)域微觀選址計(jì)算時(shí)一般為等高線每1m－2m一根。

使用WAsP MAP處理粗糙度。根據(jù)區(qū)域衛(wèi)星地圖拍攝以及實(shí)地勘察等情況，合理繪制地圖的粗糙度，如圖9所示。

圖6 測(cè)風(fēng)塔威布爾分布

圖7 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖

圖8 Global Mapper處理大區(qū)域數(shù)字地圖

三、導(dǎo)入計(jì)算軟件，設(shè)定參數(shù)

本案例中筆者采用WAsP軟件進(jìn)行風(fēng)能資源仿真分析。如果有條件，建議最好選用Meteodyn WT和Windsim等CFD流體仿真計(jì)算軟件，能較好地保證計(jì)算的精確度和流場(chǎng)模擬，但計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求很高。而且Meteodyn WT等軟件可導(dǎo)入多個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，可更全面更精細(xì)地評(píng)估區(qū)域風(fēng)能資源。導(dǎo)入計(jì)算軟件處理如圖10所示。

在WAsP計(jì)算中設(shè)定中尺度區(qū)域風(fēng)能資源網(wǎng)格精度為500m－1000m，以保證計(jì)算的有效性和精確度。小區(qū)域微觀選址風(fēng)能資源網(wǎng)格精度一般為20m－50m。

圖9 區(qū)域地圖粗糙度處理

圖10 導(dǎo)入計(jì)算軟件處理

四、處理并分析仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)軟件的計(jì)算處理，得出了該區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)功率密度分布圖如圖11和圖12所示。

五、小結(jié)

圖11 中尺度區(qū)域風(fēng)速分布圖

圖12 中尺度區(qū)域風(fēng)功率密度分布圖

通過(guò)分析該區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)功率密度分布圖，了解可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源地區(qū)，例如：該區(qū)域東北面山地有較大范圍的風(fēng)能資源較豐富區(qū)（平均風(fēng)功率密度達(dá)300 W/m2－500W/m2），西南面也有兩塊風(fēng)能資源較豐富區(qū)。與附近相關(guān)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)該計(jì)算結(jié)果有較大程度的可靠性。但還可進(jìn)一步驗(yàn)證和提高計(jì)算的精確度。

由于只能采用WAsP線性軟件計(jì)算，且WAsP只能采用一根測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，計(jì)算局限性較大，若采用Meteodyn WT等CFD仿真計(jì)算軟件，且輸入多個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算的精度會(huì)更好。

此外還可根據(jù)區(qū)域風(fēng)能資源分布狀況，判斷出適用于該區(qū)域典型及特殊風(fēng)能資源條件的相適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)能資源仿真分析技術(shù)可以對(duì)大區(qū)域、中尺度區(qū)域風(fēng)能資源進(jìn)行仿真分析，模擬該地區(qū)風(fēng)能資源狀況，判斷可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源地區(qū)，合理設(shè)置測(cè)風(fēng)塔，優(yōu)選相適應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型，在風(fēng)電場(chǎng)前期開(kāi)發(fā)中起到積極的作用。

建議在仿真計(jì)算中盡量采用精細(xì)的地圖數(shù)據(jù)，導(dǎo)入多個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，應(yīng)用Meteodyn WT和Windsim等CFD流體仿真計(jì)算軟件，雖然計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，但能較好地保證計(jì)算的精確度，能更全面地評(píng)估區(qū)域風(fēng)能資源。

中尺度大區(qū)域風(fēng)能資源仿真分析計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，推薦配置8核（16核）CPU，16G內(nèi)存，4.0HZ主頻，500G硬盤(pán)。

風(fēng)能資源仿真分析技術(shù)只是在計(jì)算機(jī)上仿真模擬該地區(qū)風(fēng)能資源狀況，并不能完全代替在場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔。在選取風(fēng)能資源條件合適的區(qū)域后，需要進(jìn)一步在場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔取得詳盡的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布置、發(fā)電量計(jì)算等微觀選址工作，以及風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)工作取得原始風(fēng)能資源數(shù)據(jù)。

（作者單位：浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司）

攝影：宋永新