海上無測(cè)風(fēng)區(qū)域風(fēng)速評(píng)估_第1頁
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海上無測(cè)風(fēng)區(qū)域風(fēng)速評(píng)估摘要:海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估通常需要采集風(fēng)電場(chǎng)位置完整年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。本文提出基于風(fēng)資源圖譜成果的風(fēng)速分析法,基于3Tier中尺度數(shù)據(jù)集的風(fēng)速分析法和基于WT的風(fēng)速分析法對(duì)海上無測(cè)風(fēng)區(qū)域110m高度的風(fēng)速大小進(jìn)行評(píng)估。三種評(píng)估方法計(jì)算得到風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址中心點(diǎn)輪轂高度出的風(fēng)速分別為7.82m/s、7.87m/s和7.84m/s。三種評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果基本一致,可為無實(shí)測(cè)資料地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估分析提供參考。關(guān)鍵詞:風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源;風(fēng)速評(píng)估0導(dǎo)語海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估通常需要采集風(fēng)電場(chǎng)位置完整年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。目前,海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源觀測(cè)和獲取有兩種主要途徑[1]:一是海上測(cè)風(fēng)塔,通過在特定高度安裝機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀的方式進(jìn)行觀測(cè);二是海上漂浮式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)[2],通過搭載在浮體上的激光雷達(dá)進(jìn)行不同高度風(fēng)資源觀測(cè)。近年來,由于海上風(fēng)電技術(shù)的飛速發(fā)展,海上風(fēng)電開發(fā)逐步從近海走向深遠(yuǎn)海。隨著海上風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展趨勢(shì),需要觀測(cè)風(fēng)資源高度逐步提高。復(fù)雜的水深地質(zhì)條件、觀測(cè)高度的提升以及有限的海上施工窗口期,使得建海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)建設(shè)難度增大、施工周期變長(zhǎng)、建設(shè)成本增加,難以滿足海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)進(jìn)度要求。而目前國(guó)內(nèi)外海上漂浮式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)仍處于技術(shù)驗(yàn)證階段,還沒實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化,技術(shù)適用性和可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)推出基于不同物理模型和全球不同觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出了不同尺度下的風(fēng)資源圖譜產(chǎn)品[3],如中國(guó)氣象局近海風(fēng)資源數(shù)據(jù)集、GlobalWindAltas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集、3Tier中尺度數(shù)據(jù)集等,對(duì)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)域尤其是海上風(fēng)資源評(píng)估具有重要的參考意義。法國(guó)美迪公司開發(fā)的MeteodynWT是一款可供風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估的流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)不同結(jié)果點(diǎn)位置不同高度的風(fēng)資源評(píng)估。本文在此背景下,提出基于風(fēng)資源圖譜成果的風(fēng)速分析法、基于3Tier中尺度數(shù)據(jù)集的風(fēng)速分析法和基于WT的風(fēng)速分析法等三種方法對(duì)海上無測(cè)風(fēng)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速評(píng)估,為海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估分析提供參考。1數(shù)據(jù)資料與評(píng)估方法數(shù)據(jù)資料本文分析使用的數(shù)據(jù)資料包括:某海上測(cè)風(fēng)塔滿一年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);測(cè)風(fēng)塔位置以及場(chǎng)址中心點(diǎn)的3Tier中尺度數(shù)據(jù)集,GlobalWindAltas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集。1)海上風(fēng)電場(chǎng)及海上測(cè)風(fēng)塔基本信息規(guī)劃中的某海上風(fēng)電場(chǎng)位于黃海海域,離岸距離約60公里,擬安裝風(fēng)機(jī)輪轂110m。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址西北側(cè)距離場(chǎng)址中心約30公里處有一座高100m的海上測(cè)風(fēng)塔。海上測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)電場(chǎng)之間為開闊海面,無遮擋。該測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿一年,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。實(shí)測(cè)年平均風(fēng)速7.66m/s。2)GlobalWindAltas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集GlobalWindAtlas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集是世界銀行資助的項(xiàng)目。項(xiàng)目依據(jù)西班牙Vortex提供中尺度氣象結(jié)果,使用DTU開發(fā)的WAsP軟件進(jìn)行中尺度降尺度計(jì)算,最終給出全球不同高度的風(fēng)資源圖譜。圖譜精度可達(dá)到200m。3)3Tier中尺度數(shù)據(jù)集3TIER數(shù)據(jù)是維薩拉(Vaisala)公司的產(chǎn)品。共包含三類數(shù)據(jù)源:ERAI(ECMWFInterimRe-analysisArchive)、MERRA(ModernERARetrospective-analysisforResearchandApplication)和MERRA2(ModernERARetrospective-analysisforResearchandApplicationVersion2),以上數(shù)據(jù)可以近似實(shí)現(xiàn)基于逐時(shí)平均風(fēng)速的電場(chǎng)址位置處的風(fēng)能資源評(píng)估。3TIER數(shù)據(jù)通過引用上述數(shù)據(jù)集,借助基于物理學(xué)的NWP模式,整合統(tǒng)計(jì)方法,模擬大氣層和地球表面之間的相互作用,可提供5km分辨率的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。本文所采用的MERRA2數(shù)據(jù)集來源于美國(guó)宇航局/戈達(dá)德太空飛行中心的全球建模和同化辦公室,數(shù)據(jù)使用(GEOS-5)ADAS系統(tǒng)完成,網(wǎng)格模型精度為緯度0.5°,經(jīng)度每2/3°來劃分。MERRA2數(shù)據(jù)相對(duì)于MERRA數(shù)據(jù),由于資料同化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了GPS無線電掩星數(shù)據(jù)中的高光譜輻射和微波觀測(cè)的改進(jìn),并在GEOS模型和GSI同化系統(tǒng)中進(jìn)行了改進(jìn),可在緯向方向提供約50km的精度數(shù)據(jù)集。評(píng)估方法1)基于風(fēng)資源圖譜成果的風(fēng)速分析法下載GlobalWindAltas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集中風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址中心處接近輪轂高度的多年平均風(fēng)速,通過風(fēng)切變指數(shù)將相應(yīng)風(fēng)速推算到輪轂高度處,評(píng)估得出風(fēng)電場(chǎng)中心位置輪轂高度風(fēng)速。2)基于3Tier中尺度數(shù)據(jù)集的風(fēng)速分析法針對(duì)場(chǎng)址區(qū)內(nèi)無實(shí)測(cè)資料的情況,基于中尺度3Tier數(shù)據(jù)集,獲取海上測(cè)風(fēng)塔位置點(diǎn)及工程場(chǎng)址區(qū)中心點(diǎn)的同時(shí)期同高度數(shù)據(jù)。圖1為海上測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址位置近30年月平均風(fēng)速折線圖,由圖1可知,海上測(cè)風(fēng)塔位置的3Tier數(shù)據(jù)與場(chǎng)址區(qū)中心點(diǎn)的3Tier數(shù)據(jù)集有很好的一致性。分析兩點(diǎn)位置處多年中尺度風(fēng)能資源差異,并結(jié)合海上實(shí)測(cè)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)資料,采用采用差值和差值比例對(duì)場(chǎng)址區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估,得出風(fēng)電場(chǎng)中心位置輪轂高度風(fēng)速。圖1海上測(cè)風(fēng)塔與場(chǎng)址區(qū)中心位置3Tier多年月平均風(fēng)速折線圖3)基于WT的風(fēng)速分析法法國(guó)美迪公司開發(fā)的MeteodynWT軟件基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)進(jìn)行風(fēng)流模擬,準(zhǔn)確得知風(fēng)電場(chǎng)空間每一處的風(fēng)流情況,可以準(zhǔn)確可靠地評(píng)估出復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)流造成的各種影響。WT以大氣湍流動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程(N-S)方程為動(dòng)力框架。分析過程中,以海上測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)作為軟件計(jì)算輸入,以區(qū)域周邊其他測(cè)風(fēng)塔位置處的實(shí)測(cè)風(fēng)速作為模型參數(shù)率定標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行模型參數(shù)率定。使用率定好參數(shù)后的模型計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)中心位置輪轂高度處的風(fēng)速。2評(píng)估結(jié)果分析基于風(fēng)資源圖譜成果的風(fēng)速分析法圖2為GlobalWindAltas全球風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集中,中國(guó)地區(qū)100m高度風(fēng)資源情況。由圖2可見,風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)域風(fēng)能分布較為一致,100m高度風(fēng)速約為7.75m/s,風(fēng)功率密度約為450W/m2,風(fēng)能資源十分豐富,具有開發(fā)價(jià)值。將100m高度風(fēng)速推算到110m高度,得出風(fēng)電場(chǎng)中心位置輪轂高度處的風(fēng)速約為7.82m/s。圖2中國(guó)沿海海域100m高度風(fēng)速分布圖2)基于3Tier中尺度數(shù)據(jù)集的風(fēng)速分析法分別采用差值和差值比例的方式,得到場(chǎng)址區(qū)110m高度的代表年風(fēng)速結(jié)果(見表1),初步判定場(chǎng)址區(qū)100m高度的代表年平均風(fēng)速約為7.80m/s,利用風(fēng)切變推算到110m高度,得出風(fēng)電場(chǎng)中心位置輪轂高度處的風(fēng)速約約為7.87m/s。表1海上測(cè)風(fēng)塔與場(chǎng)址中心Merra2數(shù)據(jù)100m多年平均風(fēng)速差異分析表參數(shù)月份海上測(cè)風(fēng)塔位置處3Tier(m/s)場(chǎng)址區(qū)位置處3Tier風(fēng)速(m/s)差值(m/s)差值比例(%)海上測(cè)風(fēng)塔代表年(m/s)場(chǎng)址區(qū)代表年風(fēng)速(m/s)16.486.850.375.688.298.7726.636.970.345.107.117.4736.987.250.273.857.387.6647.167.400.243.348.378.6456.847.130.284.128.038.3666.136.390.254.157.507.8176.607.030.446.616.937.3986.236.480.254.047.017.2995.996.240.254.166.706.98105.906.190.294.916.106.40116.526.830.304.678.458.85126.677.020.355.227.537.92平均6.516.810.304.657.457.803)基于WT的風(fēng)速分析法采用計(jì)算流體力學(xué)模型(WT)軟件進(jìn)行建模,參考場(chǎng)址周邊鄰近測(cè)風(fēng)塔的年平均風(fēng)速7.67m/s進(jìn)行參數(shù)率定。根據(jù)率定好的模型進(jìn)行綜合計(jì)算,利用海上測(cè)風(fēng)塔推算得到場(chǎng)址中心點(diǎn)100m高度的代表年平均風(fēng)速分別為7.78m/s。推算得出場(chǎng)址中心點(diǎn)110m高度平均風(fēng)速約為7.84m/s。表2WT模型計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目實(shí)測(cè)年平均風(fēng)速(m/s)其他測(cè)風(fēng)塔推算結(jié)果(m/s)場(chǎng)址鄰近測(cè)風(fēng)塔7.677.69場(chǎng)址中心110m(m/s)/7.84圖3中國(guó)沿海海域100m高度風(fēng)速分布圖3結(jié)論本文共采用三種方式對(duì)場(chǎng)址區(qū)的風(fēng)資源情況進(jìn)行分析:(1)利用權(quán)威風(fēng)資源圖譜進(jìn)行場(chǎng)址區(qū)的風(fēng)資源評(píng)估。利用GlobalWindAltas數(shù)據(jù)分析場(chǎng)址區(qū)110m高度風(fēng)速約為7.75m/s。(2)基于3Tier數(shù)據(jù)集利用氣候統(tǒng)計(jì)等方法開展場(chǎng)址區(qū)的風(fēng)資源評(píng)估。分析海上測(cè)風(fēng)塔位置和場(chǎng)址中心點(diǎn)的同時(shí)期3Tier數(shù)據(jù),通過差值及差值比例推算場(chǎng)址區(qū)100m高度的代表年平均風(fēng)速約為7.80m/s。通過計(jì)算的風(fēng)切變,將100m風(fēng)速數(shù)據(jù)推算到110m,得出場(chǎng)址110m高度平均風(fēng)速約為7.87m/s。(3)基于風(fēng)資源評(píng)估軟件推算場(chǎng)址區(qū)域風(fēng)速。通過WT軟件的定向與綜合計(jì)算,利用海上測(cè)風(fēng)塔推算得到得到場(chǎng)址中心點(diǎn)100m高度的代表年平均風(fēng)速分別為7.78m/s,推算到110m高度平均風(fēng)速約為7.84m/s。綜合考慮三種方法獲取的場(chǎng)址區(qū)的風(fēng)資源結(jié)果,三種方式的評(píng)估結(jié)果基本一致,可為無實(shí)測(cè)資料地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估分析提供參考。參考文獻(xiàn):李正泉,宋麗莉,馬浩,馮濤,王闊.海上風(fēng)能資源觀測(cè)與評(píng)估研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2016,31(08):800-810.GottschallJ,GribbenB,SteinD,etal.Floatinglidarasanadvancedoffshorewindspeed

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