风能资源评估技术进展

文 | 朱蓉

迄今为止，风能资源评估技术的发展已有近40年的历史。风电开发技术的进步不断地对风能资源评估提出更高的要求，越来越多的先进技术应用于风能资源评估，如雷达探测、卫星反演、中尺度数值模拟、计算流体力学（CFD）数值模拟、地理信息系统（GIS）等。风能资源评估技术的不断进步也必将带动大气边界层湍流、计算风工程和电力气象等学科的发展。

当前风能资源评估技术面临的挑战

一、可公开获取的精细化风能资源数据集

2012年完成的IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第五次评估报告的特别报告——《可再生能源与减缓气候变化》指出，全球可再生能源技术可开发量均高于全球对能源的需求，所以，资源储量不会限制可再生能源的开发利用。风能资源方面的研究显示，全球风能资源技术可开发量大致范围为19400TWh/a（陆上）～125000TWh/a（沿海及近海），约相当于2008年全球发电量的1～6倍。同样是2012年，中国风能资源详查结果表明，70米高度全国风能资源技术可开发量为26亿千瓦。至此，风能资源评估领域的研究重点从风能资源储量能否满足未来发展需求的问题开始转为风电场选址问题。精细化风能资源数据集成为风电场选址的必备，尤其是对于分散式风电开发，直接采用精细化风能资源数据是最经济的选择。为此，近年来国内外各种研究机构、咨询公司和风电企业都纷纷采用数值模拟方法，通过高性能计算制作区域乃至全球的风能资源数据集，面对大量耗费人力、物力的重复工作，如何建立可公开获取的精细化风能资源数据集成为国内外风电领域的热点话题。

二、重新认识风能资源

近十年以来，风电机组不断向大型化方向发展，叶尖高度超过200米、风轮直径超过150米的大型风电机组屡见不鲜，如此的发展趋势给风能资源评估带来了新的挑战。现有的风能资源评估技术是建立在经典近地层相似理论基础上的，近地层相似理论中假设地表动量通量和热量通量随高度不变，此假设仅适用于高度100米左右的近地层。在地面到300米高度的大气边界层下层，常通量假设就不再适用，而且高度超过100米以后还需要考虑地转偏向力的作用。近地层中是地表摩擦力和气压梯度力平衡作用下的大气运动，而近地层以上是地表摩擦力、气压梯度力和地转偏向力三力平衡作用下的大气运动。在叶轮扫风范围内，除了风速随高度变化以外，风向也会随高度转变，而且风速的垂直分布也不是一个单调函数就能描述的。因此，重新认识风特性，拓展或重新建立风能资源评估理论和技术方法，成为近年来国内外风电领域的研究重点。

风能资源评估技术发展现状

一、风能资源数据集

为了构建可公开获取的全球或区域高质量的精细化风能资源参数数据集，更有效地服务于风电场选址，一些国家或国际组织已经启动了相应的研究计划。如世界银行支持的能源系统辅助管理计划（Energy Sector Management Assistance Program, ESMAP）由丹麦科技大学风能系主持，采用典型样本中尺度数值模拟与WAsP降尺度计算结合的方法，计划获得全球水平分辨率150米×150米的高分辨率数据集，目前已经在一些发达的国家和地区初步完成数据集的建立，并经过了地面观测数据的检验。同样，国际可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）也在构建全球可再生能源数据集，并结合地理信息资料考虑政策对资源开发利用的制约。美国国家可再生能源实验室（NREL）与AWS Turewind公司合作制作了两套全国风能资源数据集：一套是水平分辨率200米×200米高分辨率数据集；一套是虚拟测风塔数据集。高分辨率数据集的制作方法为：采用从15年中随机抽取366天样本进行水平分辨率2.5千米×2.5千米的中尺度数值模拟，然后采用建立在质量守恒基础上的小尺度模式WindMap降尺度到水平分辨率200米×200米，之后广泛收集了公开的、私人的和气象部门的测风资料，对数据集进行长年代订正。虚拟测风塔数据集的制作方法为：采用中尺度模式模拟得到1997年以来全国空间水平分辨率20千米×20千米、时间连续的风速数据库，然后根据关注点坐标，再用WindMap降尺度直接得到该点位上时间连续的风速数据。中国气象局也分别制作了高空间分辨率风能资源数据集（1千米×1千米）和高时空分辨率风能资源数据集（3千米×3千米，逐小时间隔）。前者是采用对典型日的中尺度模拟与地形诊断模式降尺度相结合得到的；后者是直接采用中尺度模式模拟1995－2016年风速分布并逐小时输出。水平分辨率3千米×3千米、时间分辨率1小时的风能资源数据，在地域辽阔的平坦地形上可以直接用作虚拟测风塔；在非平坦地形上，可以通过降尺度计算制作虚拟测风塔数据。

摄影：李召麒

二、已启动的重大研发计划

当前，提高对风特性认识，改进数值模拟技术，提高精度，降低风险，高效利用风能，已成为风能资源评估技术的发展目标。为此，一些重大研发计划也已启动，如美国A2e（Atmosphere To Electrons）和欧盟NEWA（New European Wind Atlas）。

2015年启动的美国A2e计划的研究目标是，通过先进的物理建模、分析和数值模拟能力来改进风电场运维管理水平；采用流场监测和主动性尾流控制减少损耗；将风电场损失限制在20%以内，每年减少1亿美元以上的运营成本，达到与传统能源相当的水平。研发计划的实施分3个阶段。第一阶段是准备工作（2015年），包括外场观测试验设计、落实计算资源、数值模式比对、模式验证和评估方案设计。第二阶段是风特性研究（2015－2019年），包括外场观测试验；高分辨率数值模拟研究，多模式比较；评估提高风电场运营效率的控制策略；评估风电场设计和优化布局；从对风特性的新认识到技术创新，最终降低能源损耗。第三阶段是技术研发（2017－2021年），重点是与企业合作研发新技术，其中包括短期风电功率预测和运维监控。

欧盟NEWA研究计划也是2015年启动的，总体目标是发展新的风能资源评估动力降尺度模式系统；建立长时间序列的高时空分辨率欧洲风能数据集，以及可提供风电项目全生命周期各个阶段的风特性数据。具体指标为，数据时间长度10年；水平分辨率有两种尺度：中尺度2千米～3千米和微尺度20米～30米；覆盖全欧洲、北海和波罗的海离岸100千米以内的海域；数据可免费获取。具体研究内容包括观测实验、多尺度耦合模式系统研发、欧洲风能数据集制作和推广应用等四个方面。其中观测实验选取了非均匀地表、森林覆盖山地、双山脊山地、具有复杂中尺度气象背景场的复杂地形、近岸海域以及北海和波罗的海域共6种不同类型的下垫面，在北海和波罗的海域采用了走航激光雷达探测的方式。多尺度耦合模式系统将在一个开源平台上开发，安装在PRACE欧洲高性能计算网络中，还能与其他模型进行交互。这样不仅可以模拟出欧洲风能图谱，而且可以成为未来风能数值模拟技术发展中心。

此外，国际能源署风能课题实施协议组课题31（IEA-Wind Task 31）的研究活动为美国A2e和欧盟NEWA研究计划中的科学家提供了一个充分交流的平台；第一个关于风电场选址风能资源评估的IEC标准（IEC Standard 61400-15）正在制定中。相信未来几年，建立在对风能资源全新认识基础上的风能资源测量技术和评估理论与方法会得到广泛应用。

中国风能资源评估技术发展方向

当前，风电场选址对精细化风能资源数据集的需求越来越迫切。高时空分辨率的风能资源数据集可以用来对实际测风资料的长年代订正、为CFD计算提供入口和边界条件、制作虚拟测风塔风速数据等，尤其是可以为分散式风电开发的选址直接提供虚拟测风塔。中国地域辽阔，制作高时空分辨率的风能资源数据集需要消耗巨大的计算资源，后期对数值模拟的校验也需要大量的实际测风数据。所以，对中国的风电场宏观选址来讲，集中力量制作可公开获取的、经过测风数据校验的、高时空分辨率的风能资源数据集是最有效的途径，不仅可以直接为风电场宏观选址提供风能资源参数，也能够为风电场流场的CFD计算提供输入，带动风能资源评估技术水平的整体提高。目前，我国已有多个研究机构和企业制作了高分辨率风能资源数据集，但是由于对测风资料或数据订正技术的掌握程度有限，影响了数据的可靠性。因此，迫切需要寻找一个有效的途径，建立高时空分辨率的风能资源数据集共享机制，集中技术力量和数据资源进行风能资源数据的校验和订正。

此外，未来我国风能资源评估技术的发展还包括：针对中国复杂风能资源特性，开发中尺度气象模式、CFD模式和风电机组尾流模型组成的模式链，并建立模式链的共享机制；研发大气模式与海浪模式耦合的海上风能资源评估技术；建立单台风电机组和整个风电场运行与边界层大气的相互作用数学物理模型，开展大规模风电开发的环境和气候效应研究。