海上風能資源評估教學初探

徐經緯 徐 敏

（1.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇南京210044；2.江蘇省氣象局，江蘇南京210008）

0 引言

我國風能資源豐富，據中國氣象科學研究院20 世紀80 年代統計我國風能資源理論總儲量約為32.26 億千瓦，經濟可開發(fā)利用量約為2.53 億千瓦。[1]風力發(fā)電是當前可再生能源中僅次于水力發(fā)電的技術，是最成熟、最具規(guī)模開發(fā)的發(fā)電方式之一。[2]我國風能資源豐富，初步估算，全國陸上10 米高度可開發(fā)裝機容量約2.5 億千瓦（全國風能普查第三次評估報告），主要位于“三北”地區(qū)，但由于這些地區(qū)經濟發(fā)展相對滯后，風電發(fā)展受到一定制約。東部沿海經濟發(fā)達，海上可開發(fā)風能資源很豐富， 具有開發(fā)利用風電的良好市場條件和巨大資源潛力。世界上對海上風電的研究與開發(fā)始于20 世紀90 年代，經過十多年的發(fā)展，海上風電技術正日趨成熟，并開始進入大規(guī)模開發(fā)階段。

規(guī)劃風能資源的開發(fā)利用首先需要了解可利用風能資源的位置、儲量和覆蓋面積，風電場的前期建設需要知道建設范圍內風能資源的分布狀況，為風機的布設提供依據。 因此制作中國近海風能資源分布圖是近海風電開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。培養(yǎng)相海上風能資源評估的專業(yè)人才也就變得重要起來。

1 教學現狀

海上風電行業(yè)是一個橫跨海洋、氣象、環(huán)保、工程、機械、電力電子、自動控制等的綜合行業(yè)。 中國目前的海上風電項目有上海東海大橋海上風電場和江蘇海上風電三峽項目。國外有英國、丹麥、德國等國在近海建立了海上風電場。 對于市場上急需的海上風電人才，仍然缺少對應的較系統科學的教育方法。只有少數培訓班和一些國外的中短期風電講習班可查。

2 教學主要內容

海上風能資源評估是一個綜合問題，是一個系統工程。 所以本文就其中風能資源評估方面相關內容進行闡述。

風能資源的關鍵是掌握風速情況， 所以首先需要觀測海面風速，海面風速觀測一般有兩種：一種，是建立測風塔直接觀測；一種，是借助海洋衛(wèi)星遙感觀測。要讓學生知道海上測風塔可以對局地點進行長時間連續(xù)觀測，雖然測風塔一般選取代表性好的地點，在空間范圍上仍有局限性。 海洋衛(wèi)星遙感可以得到整個面上風速的分布情況，但是一般只有一日一次或兩次或一周幾次觀測[3]。所以要結合兩者的優(yōu)勢，取長補短。歐洲正在試驗新型極光雷達測風，它具有觀測范圍大，安裝較簡易的特點，不過造價昂貴。 海上風電項目的貸款審批中主要還是看海上測風塔的實測結果。

建立海上測風塔的高度，塔的基礎和結構，選取的儀器，儀器架設的高度一般都要根據實際情況具體確定。 所以對于教學而言，應該通過案例分析讓學生從典型案例中得到啟發(fā)，以便其掌握其中的方法。

同時評估近海風能資源也要考慮以下幾個方面的影響：（1）水下基礎對環(huán)境的影響；（2）風機的噪音和振動對環(huán)境和自身的影響；（3）對水下生物以及鳥類的影響；（4）對視覺和聽覺的影響；（5）對無線電波和雷達的干擾；（6）對海上航運的影響；（7）對漁業(yè)生產的影響；（8）對海域水質和生態(tài)環(huán)境的影響；（9）對區(qū)域海域水文動力的影響；（10）臺風對風機的影響；（11）地震海嘯對風機的影響。

在海上風能資源評估中的另外一個要素就是對施工天氣窗口的評估，天氣窗口是適合海上作業(yè)施工的時間段。應該避開比如大風、大霧、海浪或海流較大的天氣。 天氣窗口也是海上風場運行期間日常維護日程確定的重要參考依據。

對于風能資源的計算方法也需要仔細考慮，目前一般采用數值模式或者風能軟件計算的方法，對于計算方案的設計，以及模式的選取，模式內部參數的選擇也是需要根據案例以及實際工作情況來確定。

由于海上風能資源評估過程是一個工程技術問題， 需要動手能力。在教學過程中就不光要介紹案例，也需要指導學生上手操作。可以給學生一些簡單數據和軟件如Windpro，讓學生了解操作流程，熟悉海上風能評估要求。 這樣也可以為其以后的工作打下基礎。

此外在近海風能資源評估中還需要海洋勘探、海洋工程、海洋觀測、電網等方面的數據。

3 總結

我國高校擁有較強的風電科研基礎，其中很多專家都有其它行業(yè)如電機、機械和電氣等專業(yè)或相關專業(yè)的培訓或研究經驗。 他們擁有交叉多學科的理論知識，可以通過摸索學習，與國際同行進行人才交流、技術合作。海上風能由于其是風能新興發(fā)展方向，在國內國際上都倍受關注，相對于學生教育還略顯不足。 由于海上風能具有其多學科綜合性和學科交叉性的特點， 實際工作中受到外界環(huán)境的影響顯著。所以在教學過程中，應該具體問題具體分析。在教學方法上采取，個例分析為主，結合歸納的方法。

4 展望與建議

由于煤炭、石油和天然氣等碳密集型化石能源的日益減少，以及此類能源消費所帶來的環(huán)境問題。風能尤其是海上風能作為新能源將在能源結構中被加重比例，國家與企業(yè)對海上風能的大力投入，使海上風能資源評估人才的培養(yǎng)迫在眉睫。國家和高校應加強海上風電教育，加大產學研方面的投入，才能培養(yǎng)出合格的風能尤其是海上風能人才，滿足日益增長的人才需求。

風能尤其是海上風能的復雜性， 首先應建立一套完整的培養(yǎng)體系，這包括初、中、高級人才梯隊。建設好相關基礎條件，如海上風能資源研究的基礎或者海洋、氣象、電力、機械、控制等相關專業(yè)基礎。

其次，要加強師資培養(yǎng)，培育出高水平的師資團隊，采取從國外引進來和國內走出去的辦法，鼓勵教師參與國際技術交流。再次，推進海上風能資源走產學研相結合的道路。如德國成立的風能研究團體，把大學、研究所和公司有效結合，達到研究、教育、開發(fā)和生產相結合，提高高校風能綜合應用的針對性。

最后，可以加強科研教育投入，可以借鑒美國、丹麥等國的例子。

總之應該充分利用好海上風能大發(fā)展的有利時機，加速發(fā)展風電教育，發(fā)揮高校教育作用，為風電行業(yè)培育合格人才。

［1］薛桁;朱瑞兆;楊振斌;袁春紅.中國風能資源貯量估算[J].太陽能學報,2001(02).

［2］徐經緯.衛(wèi)星資料與數值模式在中國近海風能資源評估中的應用研究[D].南京信息工程大學,2009.

［3］Jingwei Xu, Yong Luo, Xiuzhi Zhang, and Rong Zhu.China Offshore Wind Energy Resources Assessment with the QuikSCAT Data.Proc [J]. SPIE proceeding 7105, 71050B,2008.