烏蘭察布風(fēng)電基地風(fēng)能資源特征分析

徐 棟，白雪峰，孫 靜

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710065；2. 國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼028011)

0 前 言

烏蘭察布風(fēng)電基地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的烏蘭察布市四子王旗境內(nèi)，裝機(jī)規(guī)模600萬kW，是國家批復(fù)的首個(gè)風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)示范基地，也是全球陸上單體規(guī)模最大的風(fēng)電場。在蒙古冷高壓、蒙古氣旋和區(qū)域特殊地形的多重影響下，風(fēng)能資源尤為豐富。

風(fēng)能資源特征分析是研究區(qū)域風(fēng)能資源的形成規(guī)律和風(fēng)能資源分布特點(diǎn)，為風(fēng)電基地場址選擇、布局優(yōu)化和風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化排布等提供關(guān)鍵依據(jù)。以往對大范圍的風(fēng)資源分析主要依靠測風(fēng)塔、氣象站風(fēng)速資料的收集、計(jì)算，借助一定的經(jīng)驗(yàn)判斷一個(gè)區(qū)域風(fēng)能資源的分布特點(diǎn)，應(yīng)用中尺度數(shù)值模擬平臺分析了風(fēng)能資源特征，并對多種中尺度模擬數(shù)據(jù)的適用性進(jìn)行了分析較少。本文應(yīng)用高精度的氣候模型和地形數(shù)據(jù)以及中尺度數(shù)值模擬平臺，分析烏蘭察布風(fēng)電基地的區(qū)域風(fēng)能資源特點(diǎn)，為大型風(fēng)電基地風(fēng)能資源分析提供借鑒。

1 分析方法

1.1 全球高精度氣候模型

本文采用GEOS-5高精度氣候模型，分析大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)尺度下風(fēng)能資源的形成。GEOS-5(Goddard Earth Observing System, Version 5)是GEOS(Earth Observation System)模型的第五版，采用28km每像素的分辨率，可以高達(dá)3.5km每像素的分辨率進(jìn)行全球氣候模型分析，是目前世界上精度最高的氣候模型。該模型利用數(shù)學(xué)方程來描述大氣物理過程，運(yùn)行于NASA戈達(dá)德太空飛行中心氣候模擬中心的“探索”超級計(jì)算機(jī)上。

1.2 高精度雷達(dá)影像地形數(shù)據(jù)

本文采用SRTM數(shù)字地形圖分析高大地形影響下風(fēng)能資源的變化特點(diǎn)。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)是由美國航空航天局實(shí)施的航天雷達(dá)地形測量任務(wù)，對地球表面進(jìn)行雷達(dá)三維成像所獲取的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。本文采用SRTM-3數(shù)據(jù)，即將1°的面積分成1200×1200個(gè)小區(qū)域，每一網(wǎng)格大小為3弧秒(90 m×90 m)。STRM是目前現(xiàn)勢性最好、分辨率最高、經(jīng)度最好的全球性數(shù)字地形數(shù)據(jù)。

1.3 中尺度數(shù)據(jù)模擬平臺

中尺度數(shù)據(jù)模擬平臺是以中尺度再分析數(shù)據(jù)和大量測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)為輸入，采用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)WRF模式和資料同化技術(shù)進(jìn)行模擬，借助強(qiáng)大的混合云計(jì)算資源形成精度較高的風(fēng)資源數(shù)據(jù)。本文主要應(yīng)用"格林威治"云平臺和大賢風(fēng)格能源氣象平臺進(jìn)行分析。

2 風(fēng)能資源形成

圖1為GEOS-5氣候模型模擬的烏蘭察布風(fēng)電基地區(qū)域大氣環(huán)流場。由圖1可見，因?yàn)跆m察布風(fēng)電基地所在的四子王旗地處中緯度西風(fēng)帶，在西風(fēng)環(huán)流控制下，全年盛行偏西風(fēng)。因區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂騾^(qū)，冬半年地面在蒙古冷高壓控制下，氣壓梯度增大，經(jīng)常形成強(qiáng)勁的西北風(fēng)。四子王旗地處蒙古高原南緣，是冬季冷空氣南下進(jìn)入我國的重要通道，風(fēng)能資源豐富。

影響四子王旗境內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的另一重要因素是即為蒙古氣旋。蒙古氣旋發(fā)生或發(fā)展在蒙古中部和東部高原，春秋季因冷暖空氣活動(dòng)頻繁，發(fā)生頻率較高，特點(diǎn)主要以大風(fēng)天氣現(xiàn)象為主。GEOS-5氣候模型模擬的蒙古氣旋仿真流場如圖2、3所示，當(dāng)蒙古氣旋發(fā)生在蒙古高原中部時(shí)，四子王旗位于蒙古氣旋影響的東南緣，風(fēng)向以西南風(fēng)為主；當(dāng)蒙古氣旋發(fā)生在蒙古高原東部時(shí)，四子王旗位于蒙古氣旋影響的西南緣，風(fēng)向以西風(fēng)和西北風(fēng)為主。

四子王旗及周邊區(qū)域SRTM數(shù)字地形見圖4。由圖4可見，四子王旗中部和北部區(qū)域地形整體較為開闊，由北部和中部區(qū)域進(jìn)入的西風(fēng)氣流穿越而過。由四子王旗南部進(jìn)入的偏西風(fēng)氣流受到陰山北麓山脈的阻擋，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，由風(fēng)電基地西南部進(jìn)入，與北部和中部入流在風(fēng)電基地西南部匯合，并在向東行進(jìn)的過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槠黠L(fēng)氣流。風(fēng)電基地中部以丘陵地形為主，受地形效應(yīng)影響風(fēng)速得到加強(qiáng)，形成風(fēng)能資源富集區(qū)域。

3 風(fēng)能資源分布特點(diǎn)

烏蘭察布風(fēng)電基地位于四子王旗境內(nèi)，宏觀選址階段首要考慮區(qū)域的風(fēng)能資源分布情況。本文采用中尺度數(shù)值模擬技術(shù)得到的“格林威治”云平臺和大賢風(fēng)格能源氣象平臺進(jìn)行分析。

“格林威治”云平臺模擬的四子王旗風(fēng)速分布見圖5所示。風(fēng)能資源富集區(qū)主要分布在東部的白音朝克圖鎮(zhèn)、查干補(bǔ)力格蘇木和腦木更蘇木，西部的江岸蘇木、巴音敖包和紅格爾蘇木，90 m高度年平均風(fēng)速在6.70～9.80 m/s，風(fēng)功率密度在290～780 W/m2。對比大賢風(fēng)格能源氣象平臺模擬的四子王旗風(fēng)能資源分布情況，兩者分布結(jié)果基本一致，但量級略有差異，90 m高度年平均風(fēng)速較“格林威治”云平臺模擬數(shù)據(jù)偏小約0.5～0.8 m/s。

由于兩種平臺模擬結(jié)果差異較大，本文采用具有同期觀測資料的測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(見圖6)。經(jīng)對觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)對比分析，“格林威治”云平臺模擬數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，統(tǒng)計(jì)分析的7座測風(fēng)塔位置處模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)絕對誤差在0.74%～3.88%，大賢風(fēng)格模擬絕度誤差在5.7%～19.9%。烏蘭察布風(fēng)電基地內(nèi)格林威治云平臺模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)況更為接近，這與數(shù)值模擬過程中采用的資料同化方法和引入的實(shí)測數(shù)據(jù)量有關(guān)。經(jīng)以上分析可見，烏蘭察布風(fēng)電基地所處的白音朝克圖鎮(zhèn)和查干補(bǔ)力格蘇木北部區(qū)域?qū)偎淖油跗祜L(fēng)能資源最為豐富的區(qū)域。

烏蘭察布風(fēng)電基地場址區(qū)域地形特點(diǎn)為丘陵和平坦地形交錯(cuò)分布，東南部、北部和西北部區(qū)域以丘陵地形為主，東北部和西南部區(qū)域地形較為平坦。西風(fēng)氣流進(jìn)入風(fēng)電基地后，在丘陵地形的加速作用下，風(fēng)速加強(qiáng)。風(fēng)電基地風(fēng)能資源水平整體豐富，其中以東南部、北部和西北部的丘陵區(qū)域最為集中。

風(fēng)電基地90 m高度風(fēng)速在7.0～10.5 m/s之間，風(fēng)功率密度在400～1050 W/m2之間，根據(jù)根據(jù)GB/T 18710-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》判定該風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級為3～6 級。綜合風(fēng)能資源形成分析及中尺度數(shù)值模擬結(jié)果，基地風(fēng)向分布基本以陰山北麓山脈延長線為界，西部區(qū)域主風(fēng)向以偏西北風(fēng)和偏西南風(fēng)為主，東部區(qū)域以西風(fēng)和西北風(fēng)為主。這與四子王旗氣象站觀測資料和區(qū)域測風(fēng)塔觀測情況一致。

4 結(jié) 論

(1) 影響烏蘭察布風(fēng)電基地風(fēng)能資源形成的主要因素有西風(fēng)環(huán)流背景、溫帶大陸性氣候類型特點(diǎn)、蒙古氣旋以及陰山山脈特殊地形。在西風(fēng)環(huán)流的大背景下，盛行偏西風(fēng)；基地西部區(qū)域除盛行偏西風(fēng)外，因西入氣流南支受陰山北麓山脈阻擋，會(huì)并存有顯著的西南風(fēng)；基地北部和東部則以偏西風(fēng)和西北風(fēng)為主。此外，因基地處于蒙古氣旋的南部影響邊緣，受此影響，出現(xiàn)大風(fēng)天氣的頻率較高，并且隨著蒙古氣旋的位置變化，基地會(huì)出現(xiàn)西偏北或西偏南的風(fēng)向。

(2) 烏蘭察布風(fēng)電基地所選場址屬四子王旗風(fēng)能資源最為豐富的區(qū)域。基地90 m高度風(fēng)速在7.0～10.5 m/s，風(fēng)功率密度在400～1 050 W/m2，風(fēng)功率密度等級為3～6 級。基地風(fēng)向分布基本以陰山北麓山脈延長線為界，西部區(qū)域主風(fēng)向以偏西北風(fēng)和偏西南風(fēng)為主，東部區(qū)域以西風(fēng)和西北風(fēng)為主。