風能資源數值模擬及其在中國風能資源評估中的應用研究

劉東海

摘 要：風能資源是一項可再生的環保資源，具有非常大的開發潛力。本文對風能資源數值模擬系統做了簡單的介紹，分析了風能資源數值模擬系統在我國各個風能資源豐富地帶的應用，將我國風能資源數值模擬結果與實際觀測資料進行了對比研究，對我國未來風能資源的開發利用提供參考。

關鍵詞：風能資源；數值模擬；風能資源評估；應用

中圖分類號：Tk89 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0166-02

1 傳統的風能資源評估方式

傳統的風能資源評估方式是基于氣象站歷年來的觀測數據進行分析評估，或者在需要建設風力發電項目的地方安裝測風塔進行一兩年的觀測再進行評估。由于各地氣象站基本處在城郊位置，地形與風電場地形差異較大，尤其在我國中部、東部、南部等復雜地形風電場，而地形又對風能的影響巨大，僅僅依靠氣象站的觀測數據不能真實反應該地區的風能情況，評估結果的準確性、科學性以及可靠性不能得到保障。目前，風電場的開發主要利用測風塔進行風能資源觀測，但需要投資建設多個測風塔，測風塔得出的數據周期時間比較長，通常需要一年至二年，甚至更長時間才能得出結論，且代表的區域范圍有限，對于單個風電場來說，依靠多個測風塔數據進行分析能得出較為準確的結果，但對于大區域的風資源模擬及規劃，需要大量的測風塔來作支撐，僅僅依靠測風數據開展資源評估工作將極大的降低了風能資源的使用效益，造成資源的大量浪費，且投資巨大，并不現實。

2 風能資源數值模擬系統

為了能有效得出某地區風能資源在二三十年的分布狀況，一般有兩種風能資源數值模擬系統，第一種是MCP方法，將長時間的氣象觀測數據與短時間的風能資源數值模擬數據相結合，從而分析出該地區多年的風能資源分布情況。第二種是基于空氣動力學以及熱力學原理，將動力與統計結果相結合的方式來進行數值模擬，這種分析方法首先需要根據大尺度氣候背景場的類型進行分類，通過對氣象觀察數據進行分析，建立起相應的大尺度氣候背景場具體類型，再結合地形信息，在大尺度氣候背景場的條件下利用中尺度氣象模式對受到地形影響的風能資源分布進行模擬，在對模擬結果進行統計分析計算，從而分析出該地區的風能資源情況，避免了原先的分析周期長、以及地形條件的限制。本文采用的是第二種基于空氣動力學以及熱力學的理論下，由加拿大氣象局研發的WEST風能資源模擬系統，該系統由三個模塊組合而成。

2.1 大尺度氣候背景場分類模塊

能夠利用、且設備可以達到要求的風能資源大致分布在地表一百米的高度上，由于我國大部分國土都處于中緯度地區，中緯度地區的風能與大氣層結構、地表因素以及地轉風有關，地表因素是指地面上的具體地形、地面粗糙度以及地面溫度等情況。可以先利用不受地形影響的海平面地轉風作為條件進行氣候背景場分類，這樣的大尺度氣候背景場分類結果不受地形影響，再依照分類結果進行模擬初始場的構建，然后隨著時間的變化使地形逐漸與實際地形相一致，再進行最終的風場分布模擬。

2.2 中尺度模擬模塊

利用中小尺度數值模式MC2進行風能資源數值的中尺度模擬，控制的方程為全歐拉方程，具有可壓、全彈、非靜力的特性，MC2的模擬精度非常高，而且適用于各個尺度的天氣現象。在利用MC2對風能資源的分布進行模擬時，以插值方式將各個氣候背景場的初始場構建出來。

2.3 統計分析模塊

風能資源的評估需要用到多種參數，比如一些具有代表性年份的該年平均風速、年平均風能風向頻率、有效小時數等。在計算平均風速時，可以用風速觀測序列總和除去風速序列個數來計算；風向頻率可以用觀測時段內風向出現的時間除去總觀測時間來計算；有效小時數指的是具有代表性的年份該年測風序列中風速達到3～25米每秒的總時間。因為風能的大小由風速大小決定，所以對風能資源進行評估時一定要以風速為重要指標。

3 風能資源數值模擬系統在我國風能資源評估中的可行性驗證

由于我國的地勢地形主要呈“三級階梯”狀，西邊地形高，東邊地形低，自西向東以青藏高原為代表屬于第一階梯，海拔高度大概有4000米，第二階梯式青藏高原東北地帶的高原盆地，海拔高度在2000米左右，第三階梯是我國東部的平原地帶，海拔高度在500米以下。自西向東覆蓋了各種不同的地形，以高原、丘陵居多，同時受太平洋氣候影響，氣候狀況也比較復雜，導致我國風能資源的評估工作一直很難取得有效的進步。在我國不同地區利用風能資源數值模擬系統對風能資源進行模擬分析可以有效驗證風能資源數值模擬系統在我國的適用性。

通過對江蘇、內蒙古、遼寧、青海、新疆等不同地形、不同氣候條件地區的模擬以及與以往的觀測記錄的對比，風能資源數值模擬系統在低海拔地區的模擬性能良好，其誤差可以控制在20%以內，可以直接利用模擬結果進行評估。在高原地區的模擬結果與實際觀測的誤差較大，在評估時需要與測風塔的數據以及歷年氣象資料相結合進行評估。

4 利用數值模擬結果對我國的風能資源區域進行劃分

通過對風能資源數值模擬結果的分析，可以有效地將我國的風能資源依照其豐富程度劃分為五個區域。如圖1。

（1）風能資源極豐富區。我國風能資源最豐富的地帶，進行風能資源開發的主要地區。北部極豐富區長期受到西風帶控制，同時每當冷空氣南下時，都會產生很強的風力，又因為這里地勢相對比較平坦，極其適合建立風電場。但需要注意的是，該地區有低溫、沙塵暴等自然災害，在進行風電場建設時，一定要避免這些問題，注意風險控制。同時在我國華南及華東沿海地方也存在著風能資源極豐富區，但受臺風頻繁登陸影響，在進行風電場的建設時，一定要注意臺風的影響，避免臺風過大對設備以及線路造成破壞。（2）風能資源豐富區。以內蒙古、河北北部、遼寧北部等區域為主，風能資源豐富，風況比較好，但由于風力發電項目占地面積、電網接入、建設條件等限制因素。風電場建設以中小規模為主。（3）風能資源較豐富區。以吉林東部、黑龍江西部等地區為主，包括江蘇沿海、江西環鄱陽湖地區及贛南山區、福建沿海等地風能資源比較豐富。（4）風能資源一般區。我國中部、東部大部分地區都屬于風能資源一般的區域，資源較好區域主要集中在沿海地區及內陸海拔相對較高的山區。（5）風能資源貧乏區。風能資源貧乏區主要是地形導致的。比如以四川盆地為中心的地區，平均風功率密度十分低。還有塔里木盆地等地區風能資源也十分貧乏。

5 結語

我國風能資源豐富，分布廣泛，利用風能資源數值模擬系統對我國各個地區的風能資源分布進行合理的模擬分析，并根據各地區風能資源模擬結果，初步確定具備開發潛力的區域，這對于風電場項目的宏觀選址和區域規劃能起到積極作用，有效的提高風能資源分析效率，加快風電場宏觀選址及風能資源的開發利用進程。

參考文獻

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