劉飛虹

摘要：隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)的發(fā)展已有近40年的歷史。風(fēng)電開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步不斷地對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估提出更高的要求，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)能資源評(píng)估，如雷達(dá)探測(cè)、衛(wèi)星反演、中尺度數(shù)值模擬、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬、地理信息系統(tǒng)（GIS）等。風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)的不斷進(jìn)步也必將帶動(dòng)大氣邊界層湍流、計(jì)算風(fēng)工程和電力氣象等學(xué)科的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能資源；評(píng)估；技術(shù)

引言

根據(jù)中國(guó)第四次風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)工作結(jié)果，中國(guó)近海5～50m水深線以內(nèi)的風(fēng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量為5億kW，海上風(fēng)能資源豐富。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)的數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量116萬(wàn)kW，累計(jì)總裝機(jī)容量達(dá)279萬(wàn)kW，全球排名第三。海上風(fēng)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)需考慮風(fēng)能資源、海洋水文、海底地質(zhì)條件、電網(wǎng)接入和消納等多方面的因素。其中，風(fēng)能資源的測(cè)量及評(píng)估是海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

1重新認(rèn)識(shí)風(fēng)能資源

近十年以來(lái)，風(fēng)電機(jī)組不斷向大型化方向發(fā)展，葉尖高度超過(guò)200米、風(fēng)輪直徑超過(guò)150米的大型風(fēng)電機(jī)組屢見(jiàn)不鮮，如此的發(fā)展趨勢(shì)給風(fēng)能資源評(píng)估帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)是建立在經(jīng)典近地層相似理論基礎(chǔ)上的，近地層相似理論中假設(shè)地表動(dòng)量通量和熱量通量隨高度不變，此假設(shè)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(shè)就不再適用，而且高度超過(guò)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。在葉輪掃風(fēng)范圍內(nèi)，除了風(fēng)速隨高度變化以外，風(fēng)向也會(huì)隨高度轉(zhuǎn)變，而且風(fēng)速的垂直分布也不是一個(gè)單調(diào)函數(shù)就能描述的。因此，重新認(rèn)識(shí)風(fēng)特性，拓展或重新建立風(fēng)能資源評(píng)估理論和技術(shù)方法，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

2分散式風(fēng)電風(fēng)能資源評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

2.1虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)

虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)是指，將風(fēng)電行業(yè)的兩大數(shù)據(jù)——測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)和中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，根據(jù)不同的地形條件及項(xiàng)目特點(diǎn)使用不同的后處理方式，在230多萬(wàn)種排列組合的結(jié)果中比選更優(yōu)的方案結(jié)果，結(jié)合人工智能方法進(jìn)行后處理，輸出完整年風(fēng)速數(shù)據(jù)，提升中尺度風(fēng)速模擬精度。現(xiàn)有的虛擬測(cè)風(fēng)技術(shù)以金風(fēng)科技的GOLDWRF技術(shù)為主要代表，通過(guò)大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證GOLDWRF輸出的虛擬測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，在平原地形下風(fēng)速誤差約在0.1～0.3米/秒；對(duì)于復(fù)雜的山地地形，風(fēng)速誤差約在0.3～0.5米/秒。在項(xiàng)目的前期規(guī)劃階段，通過(guò)虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)可以為分散式風(fēng)電項(xiàng)目的資源評(píng)估提供相對(duì)準(zhǔn)確的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)“盲人摸象”的情況。

2.2無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)

所見(jiàn)即所得。無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)是分散式風(fēng)電項(xiàng)目地形數(shù)據(jù)獲取的新途徑，它基于空中航空攝影測(cè)量原理，利用高清影像和相應(yīng)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量和構(gòu)建模型等過(guò)程生成覆蓋區(qū)域的三維實(shí)景模型，生成不同分辨率/覆蓋面積的三維實(shí)景模型，模型分辨率可高達(dá)厘米級(jí)，地物清晰可見(jiàn)。具有低成本、方便快捷、靈活機(jī)動(dòng)、高效率、高分辨率等特點(diǎn)。憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可快速、高效獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的有效補(bǔ)充手段。將無(wú)人機(jī)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，生成超高厘米級(jí)分辨率的物理三維模型，通過(guò)結(jié)合VR、AR技術(shù)，還原現(xiàn)實(shí)分散式風(fēng)電真實(shí)場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)分散式風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行三維建模，不但可以減少時(shí)間經(jīng)濟(jì)成本，更能直觀了解項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供地形信息數(shù)據(jù)。

2.3風(fēng)電大數(shù)據(jù)技術(shù)

通過(guò)對(duì)分散式風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行定位，利用風(fēng)電大數(shù)據(jù)平臺(tái)自動(dòng)匹配附近20千米以內(nèi)已建成的風(fēng)電場(chǎng)或者是周邊以往的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，對(duì)分散式風(fēng)電項(xiàng)目的資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組就是一座測(cè)風(fēng)塔。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)有大約8萬(wàn)臺(tái)機(jī)組正在運(yùn)行中，通過(guò)機(jī)艙傳遞函數(shù)，將SCADA記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)還原到葉片前的自由流風(fēng)速；通過(guò)風(fēng)角、偏航角等參數(shù)還原機(jī)組位置處的風(fēng)向；通過(guò)SCADA記錄的秒級(jí)數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)區(qū)的湍流進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。利用運(yùn)行機(jī)組數(shù)據(jù)有效、準(zhǔn)確地評(píng)估分散式風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)況，也是在場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)塔情況下最好的資源評(píng)估辦法。

2.4激光雷達(dá)補(bǔ)測(cè)技術(shù)

激光雷達(dá)具有體積小、觀測(cè)域廣、便于移動(dòng)的特點(diǎn)，借助激光雷達(dá)對(duì)分散式風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行至少3個(gè)月的風(fēng)速、湍流、切變觀測(cè)，進(jìn)一步獲取項(xiàng)目風(fēng)能資源參數(shù)，保證機(jī)組的安全性，降低投資的不確定性。通過(guò)激光雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，可用于分析選用項(xiàng)目風(fēng)區(qū)發(fā)電量最優(yōu)的機(jī)型；通過(guò)激光雷達(dá)觀測(cè)的湍流數(shù)據(jù)，可用于分析選用適應(yīng)場(chǎng)區(qū)湍流風(fēng)況安全的機(jī)型；通過(guò)激光雷達(dá)觀測(cè)的切變數(shù)據(jù)，可用于分析選用更適合場(chǎng)區(qū)經(jīng)濟(jì)性的輪轂塔架高度機(jī)組。激光雷達(dá)補(bǔ)測(cè)技術(shù)為分散式風(fēng)電項(xiàng)目資源評(píng)估中不可缺少的手段，能夠直接有效地保障機(jī)組的安全性。

3中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)發(fā)展方向

當(dāng)前，風(fēng)電場(chǎng)選址對(duì)精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集的需求越來(lái)越迫切。高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集可以用來(lái)對(duì)實(shí)際測(cè)風(fēng)資料的長(zhǎng)年代訂正、為CFD計(jì)算提供入口和邊界條件、制作虛擬測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速數(shù)據(jù)等，尤其是可以為分散式風(fēng)電開(kāi)發(fā)的選址直接提供虛擬測(cè)風(fēng)塔。中國(guó)地域遼闊，制作高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集需要消耗巨大的計(jì)算資源，后期對(duì)數(shù)值模擬的校驗(yàn)也需要大量的實(shí)際測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。所以，對(duì)中國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址來(lái)講，集中力量制作可公開(kāi)獲取的、經(jīng)過(guò)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)的、高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集是最有效的途徑，不僅可以直接為風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址提供風(fēng)能資源參數(shù)，也能夠?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)的CFD計(jì)算提供輸入，帶動(dòng)風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)水平的整體提高。目前，我國(guó)已有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)制作了高分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集，但是由于對(duì)測(cè)風(fēng)資料或數(shù)據(jù)訂正技術(shù)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(gè)有效的途徑，建立高時(shí)空分辨率的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集共享機(jī)制，集中技術(shù)力量和數(shù)據(jù)資源進(jìn)行風(fēng)能資源數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和訂正。此外，未來(lái)我國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)的發(fā)展還包括：針對(duì)中國(guó)復(fù)雜風(fēng)能資源特性，開(kāi)發(fā)中尺度氣象模式、CFD模式和風(fēng)電機(jī)組尾流模型組成的模式鏈，并建立模式鏈的共享機(jī)制；研發(fā)大氣模式與海浪模式耦合的海上風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)；建立單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行與邊界層大氣的相互作用數(shù)學(xué)物理模型，開(kāi)展大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)的環(huán)境和氣候效應(yīng)研究。

結(jié)語(yǔ)

隨著政策在全國(guó)的落地，分散式風(fēng)電將進(jìn)入快速發(fā)展期，并帶動(dòng)風(fēng)電行業(yè)裝機(jī)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，資源評(píng)估的重要性將得到進(jìn)一步凸顯。在開(kāi)發(fā)分散式風(fēng)電項(xiàng)目中，優(yōu)先推薦運(yùn)用測(cè)風(fēng)塔對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行測(cè)風(fēng)、準(zhǔn)確的資源評(píng)估。在無(wú)測(cè)風(fēng)塔的項(xiàng)目中，首先，通過(guò)風(fēng)電大數(shù)據(jù)技術(shù)、虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)、激光雷達(dá)補(bǔ)測(cè)技術(shù)獲取項(xiàng)目的氣象數(shù)據(jù)；再通過(guò)無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)、地物識(shí)別技術(shù)獲取地理信息數(shù)據(jù)；最后，通過(guò)高精度仿真技術(shù)來(lái)模擬項(xiàng)目的資源分布，保證項(xiàng)目設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。數(shù)字化、大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步為分散式風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司）