风能资源数值模拟及其在中国风能资源评估中的应用研究

刘东海

摘 要：风能资源是一项可再生的环保资源，具有非常大的开发潜力。本文对风能资源数值模拟系统做了简单的介绍，分析了风能资源数值模拟系统在我国各个风能资源丰富地带的应用，将我国风能资源数值模拟结果与实际观测资料进行了对比研究，对我国未来风能资源的开发利用提供参考。

关键词：风能资源；数值模拟；风能资源评估；应用

中图分类号：Tk89 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0166-02

1 传统的风能资源评估方式

传统的风能资源评估方式是基于气象站历年来的观测数据进行分析评估，或者在需要建设风力发电项目的地方安装测风塔进行一两年的观测再进行评估。由于各地气象站基本处在城郊位置，地形与风电场地形差异较大，尤其在我国中部、东部、南部等复杂地形风电场，而地形又对风能的影响巨大，仅仅依靠气象站的观测数据不能真实反应该地区的风能情况，评估结果的准确性、科学性以及可靠性不能得到保障。目前，风电场的开发主要利用测风塔进行风能资源观测，但需要投资建设多个测风塔，测风塔得出的数据周期时间比较长，通常需要一年至二年，甚至更长时间才能得出结论，且代表的区域范围有限，对于单个风电场来说，依靠多个测风塔数据进行分析能得出较为准确的结果，但对于大区域的风资源模拟及规划，需要大量的测风塔来作支撑，仅仅依靠测风数据开展资源评估工作将极大的降低了风能资源的使用效益，造成资源的大量浪费，且投资巨大，并不现实。

2 风能资源数值模拟系统

为了能有效得出某地区风能资源在二三十年的分布状况，一般有两种风能资源数值模拟系统，第一种是MCP方法，将长时间的气象观测数据与短时间的风能资源数值模拟数据相结合，从而分析出该地区多年的风能资源分布情况。第二种是基于空气动力学以及热力学原理，将动力与统计结果相结合的方式来进行数值模拟，这种分析方法首先需要根据大尺度气候背景场的类型进行分类，通过对气象观察数据进行分析，建立起相应的大尺度气候背景场具体类型，再结合地形信息，在大尺度气候背景场的条件下利用中尺度气象模式对受到地形影响的风能资源分布进行模拟，在对模拟结果进行统计分析计算，从而分析出该地区的风能资源情况，避免了原先的分析周期长、以及地形条件的限制。本文采用的是第二种基于空气动力学以及热力学的理论下，由加拿大气象局研发的WEST风能资源模拟系统，该系统由三个模块组合而成。

2.1 大尺度气候背景场分类模块

能够利用、且设备可以达到要求的风能资源大致分布在地表一百米的高度上，由于我国大部分国土都处于中纬度地区，中纬度地区的风能与大气层结构、地表因素以及地转风有关，地表因素是指地面上的具体地形、地面粗糙度以及地面温度等情况。可以先利用不受地形影响的海平面地转风作为条件进行气候背景场分类，这样的大尺度气候背景场分类结果不受地形影响，再依照分类结果进行模拟初始场的构建，然后随着时间的变化使地形逐渐与实际地形相一致，再进行最终的风场分布模拟。

2.2 中尺度模拟模块

利用中小尺度数值模式MC2进行风能资源数值的中尺度模拟，控制的方程为全欧拉方程，具有可压、全弹、非静力的特性，MC2的模拟精度非常高，而且适用于各个尺度的天气现象。在利用MC2对风能资源的分布进行模拟时，以插值方式将各个气候背景场的初始场构建出来。

2.3 统计分析模块

风能资源的评估需要用到多种参数，比如一些具有代表性年份的该年平均风速、年平均风能风向频率、有效小时数等。在计算平均风速时，可以用风速观测序列总和除去风速序列个数来计算；风向频率可以用观测时段内风向出现的时间除去总观测时间来计算；有效小时数指的是具有代表性的年份该年测风序列中风速达到3～25米每秒的总时间。因为风能的大小由风速大小决定，所以对风能资源进行评估时一定要以风速为重要指标。

3 风能资源数值模拟系统在我国风能资源评估中的可行性验证

由于我国的地势地形主要呈“三级阶梯”状，西边地形高，东边地形低，自西向东以青藏高原为代表属于第一阶梯，海拔高度大概有4000米，第二阶梯式青藏高原东北地带的高原盆地，海拔高度在2000米左右，第三阶梯是我国东部的平原地带，海拔高度在500米以下。自西向东覆盖了各种不同的地形，以高原、丘陵居多，同时受太平洋气候影响，气候状况也比较复杂，导致我国风能资源的评估工作一直很难取得有效的进步。在我国不同地区利用风能资源数值模拟系统对风能资源进行模拟分析可以有效验证风能资源数值模拟系统在我国的适用性。

通过对江苏、内蒙古、辽宁、青海、新疆等不同地形、不同气候条件地区的模拟以及与以往的观测记录的对比，风能资源数值模拟系统在低海拔地区的模拟性能良好，其误差可以控制在20%以内，可以直接利用模拟结果进行评估。在高原地区的模拟结果与实际观测的误差较大，在评估时需要与测风塔的数据以及历年气象资料相结合进行评估。

4 利用数值模拟结果对我国的风能资源区域进行划分

通过对风能资源数值模拟结果的分析，可以有效地将我国的风能资源依照其丰富程度划分为五个区域。如图1。

（1）风能资源极丰富区。我国风能资源最丰富的地带，进行风能资源开发的主要地区。北部极丰富区长期受到西风带控制，同时每当冷空气南下时，都会产生很强的风力，又因为这里地势相对比较平坦，极其适合建立风电场。但需要注意的是，该地区有低温、沙尘暴等自然灾害，在进行风电场建设时，一定要避免这些问题，注意风险控制。同时在我国华南及华东沿海地方也存在着风能资源极丰富区，但受台风频繁登陆影响，在进行风电场的建设时，一定要注意台风的影响，避免台风过大对设备以及线路造成破坏。（2）风能资源丰富区。以内蒙古、河北北部、辽宁北部等区域为主，风能资源丰富，风况比较好，但由于风力发电项目占地面积、电网接入、建设条件等限制因素。风电场建设以中小规模为主。（3）风能资源较丰富区。以吉林东部、黑龙江西部等地区为主，包括江苏沿海、江西环鄱阳湖地区及赣南山区、福建沿海等地风能资源比较丰富。（4）风能资源一般区。我国中部、东部大部分地区都属于风能资源一般的区域，资源较好区域主要集中在沿海地区及内陆海拔相对较高的山区。（5）风能资源贫乏区。风能资源贫乏区主要是地形导致的。比如以四川盆地为中心的地区，平均风功率密度十分低。还有塔里木盆地等地区风能资源也十分贫乏。

5 结语

我国风能资源丰富，分布广泛，利用风能资源数值模拟系统对我国各个地区的风能资源分布进行合理的模拟分析，并根据各地区风能资源模拟结果，初步确定具备开发潜力的区域，这对于风电场项目的宏观选址和区域规划能起到积极作用，有效的提高风能资源分析效率，加快风电场宏观选址及风能资源的开发利用进程。

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