任務(wù)三　海上風(fēng)資源的測(cè)量與評(píng)估

任務(wù)目標(biāo)：

1.掌握影響海上風(fēng)資源評(píng)估的相關(guān)因素。

2.掌握海上風(fēng)資源的測(cè)量數(shù)據(jù)處理與測(cè)風(fēng)設(shè)備的建立。

3.海上風(fēng)資源評(píng)估流程和產(chǎn)能預(yù)測(cè)分析。

隨著陸上風(fēng)電的逐步發(fā)展成熟，待開發(fā)的陸上風(fēng)能資源不斷減少，此時(shí)可開發(fā)風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量更為豐富、開發(fā)前景更為廣闊的海上風(fēng)電開發(fā)也吸引了世界的目光，相關(guān)各項(xiàng)開發(fā)工作逐步開展，現(xiàn)在海上風(fēng)電成為未來風(fēng)電開發(fā)的主要方向。我國(guó)近海豐富的風(fēng)力資源、地廣人稀的海岸灘涂地帶和島嶼，以及東南地區(qū)繁榮的電力市場(chǎng)，為大規(guī)模的海上風(fēng)電開發(fā)提供了自然的有利條件。建設(shè)海上大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，前期要做好海上區(qū)域風(fēng)能資源的測(cè)量、評(píng)估及產(chǎn)能預(yù)測(cè)。在評(píng)估過程中需考慮很多方面，包括海上風(fēng)資源的測(cè)量手段、測(cè)量布局、測(cè)量設(shè)備、臺(tái)風(fēng)致?lián)p等，通過綜合分析，確定海上風(fēng)資源區(qū)域等級(jí)，決定海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。

國(guó)家能源局于2009年4月發(fā)布了《海上風(fēng)電場(chǎng)工程規(guī)劃工作大綱》（國(guó)能新能〔2009〕130號(hào)），提出以資源定規(guī)劃、以規(guī)劃定項(xiàng)目的原則，要求對(duì)沿海地區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行全面分析，初步提出具備風(fēng)能開發(fā)價(jià)值的灘涂風(fēng)電場(chǎng)、近海風(fēng)電場(chǎng)范圍及可裝機(jī)容量。國(guó)家能源局分別于2010年1月和2011年7月發(fā)布了《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》和《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法實(shí)施細(xì)則》，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目規(guī)劃、前期工作、開發(fā)權(quán)、核準(zhǔn)等建設(shè)程序進(jìn)行了規(guī)范，初步形成我國(guó)完整的海上風(fēng)電前期工作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)管理體系。

一、海上風(fēng)電發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.世界海上風(fēng)電發(fā)展

海上風(fēng)電起始于歐洲，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)在世界各地獲得了蓬勃發(fā)展。縱觀其發(fā)展歷程，大致可將其分為以下四個(gè)階段：

（1）1977—1988年，國(guó)家級(jí)海上風(fēng)能資源潛力和相關(guān)技術(shù)的研究，論證建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的可能性。

（2）1990—1998年，歐洲范圍內(nèi)海上風(fēng)能潛力評(píng)估，一些擁有中型風(fēng)力機(jī)的近海風(fēng)電場(chǎng)相繼建成。

（3）1999—2005年，大型海上風(fēng)電示范工程的建設(shè)和大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)開發(fā)。

（4）2005年以后，大型海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模化發(fā)展時(shí)期。

目前世界海上風(fēng)電還是主要集中在歐洲，其裝機(jī)容量占世界總裝機(jī)量的90%。1991年，丹麥建成了世界上第一座海上風(fēng)電場(chǎng)，但是其后10年僅完成了31.45MW的海上風(fēng)電裝機(jī)容量。2000—2008年，隨著海上風(fēng)機(jī)整機(jī)技術(shù)及風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)技術(shù)的逐步發(fā)展成熟，歐洲海上風(fēng)電迅速發(fā)展，其裝機(jī)容量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到37.1%，總裝機(jī)容量達(dá)到1470MW。2008年和2009年更是連續(xù)兩年海上風(fēng)電新增容量超過了50萬kW，兩年的安裝量超過了過去累計(jì)裝機(jī)容量的總和。從海上風(fēng)電累計(jì)市場(chǎng)份額看，英國(guó)、丹麥保持領(lǐng)先地位，分別占世界海上風(fēng)電份額的44%和30%，2009年新建成的海上風(fēng)電集中在英國(guó)（28.3萬kW）、丹麥（23萬kW）、瑞典和德國(guó)（均為3萬kW）以及挪威（2300kW）。同時(shí)2010年5月，德國(guó)第一座深海風(fēng)電場(chǎng)建成投產(chǎn)，裝機(jī)容量6萬kW，距離海岸線50km，成為距離陸地最遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)。截至2010年年底，歐洲海上風(fēng)電并網(wǎng)容量已經(jīng)達(dá)到2964MW，而根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的預(yù)計(jì)：到2011年將新增海上風(fēng)電并網(wǎng)容量1000～ 1500MW，2015年海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到8000萬kW。

2.我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展

我國(guó)近海風(fēng)能資源十分豐富，據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能資源詳查初步成果，我國(guó)5～25m水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億kW，具備巨大的海上風(fēng)電開發(fā)潛能。

我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)始于2008年，目前處于起步階段，但是發(fā)展很快，正在迎頭趕超世界先進(jìn)國(guó)家。上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造的第一個(gè)國(guó)家海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，采用華銳風(fēng)電自主研發(fā)的34臺(tái)3MW風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量10萬kW，已于2010年順利并網(wǎng)發(fā)電。2010年5月，國(guó)家啟動(dòng)了第一批100萬kW海上風(fēng)電場(chǎng)特許權(quán)項(xiàng)目招標(biāo)，分別為濱海、射陽(yáng)、東臺(tái)、大豐四個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目。第二批200萬kW海上風(fēng)電場(chǎng)特許權(quán)招標(biāo)項(xiàng)目也于2011年10月舉行。與此同時(shí)，上海、江蘇、山東、浙江、福建、廣東、廣西、海南、河北、遼寧等沿海省市紛紛啟動(dòng)了各自的海上風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)劃。

二、海上風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)

海上風(fēng)電場(chǎng)分為灘涂、近海風(fēng)電場(chǎng)以及深海風(fēng)電場(chǎng)。灘涂風(fēng)電場(chǎng)包括潮間帶和潮下帶，指理論多年平均高潮位線以下至理論最低潮位5m水深海域開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)；近海風(fēng)電場(chǎng)指理論最低潮位以下5～50m水深海域開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)；深海風(fēng)電場(chǎng)指在大于理論最低潮位以下50m水深的海域開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)。

由于海洋自身特殊的地理氣象環(huán)境，相對(duì)于陸上風(fēng)電，發(fā)展海上風(fēng)電具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）海上風(fēng)力資源大大高于陸上，這已經(jīng)被建成的海上風(fēng)場(chǎng)所證實(shí)，離岸10km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上高約25%。

（2）海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機(jī)組承受的疲勞負(fù)荷較低，使得風(fēng)機(jī)壽命更長(zhǎng)。

（3）風(fēng)流過粗糙地表或障礙物時(shí)，風(fēng)速的大小和方向都會(huì)變化，而海面粗糙度小，因而可能的風(fēng)切變小，故塔架可以較短，成本降低。

（4）海上風(fēng)電受噪聲、景觀影響、鳥類影響、電磁波干擾等問題的限制較少。

（5）海上風(fēng)電場(chǎng)不占用陸上土地，不涉及土地征用等問題，在陸地上裝機(jī)空間有限的情況下廣闊的海上場(chǎng)址無疑備受人們關(guān)注。

（6）海上風(fēng)能的開發(fā)利用不會(huì)造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，可減少溫室效應(yīng)氣體的排放，環(huán)保價(jià)值可觀。

三、海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)測(cè)量

海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)測(cè)量是海上風(fēng)資源評(píng)估的基礎(chǔ)，風(fēng)資源數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，并最終影響風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。在《中國(guó)海上風(fēng)電及陸上大型風(fēng)電基地面臨的挑戰(zhàn)：實(shí)施指南》（該書是世界銀行和中國(guó)國(guó)家能源局共同領(lǐng)導(dǎo)開展的“中國(guó)開發(fā)海上風(fēng)電和陸上大型風(fēng)電基地戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目的研究成果）一書中，GH公司提出海上風(fēng)資源測(cè)量的重要性，指出目前中國(guó)大型風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)還沒有做過充分的測(cè)風(fēng)，認(rèn)為不好的風(fēng)資源評(píng)估往往會(huì)造成嚴(yán)重的發(fā)電量損失，并舉例說明：一個(gè)2MW風(fēng)機(jī)的成本大約相當(dāng)于100～200個(gè)測(cè)風(fēng)塔，若一個(gè)3.8GW風(fēng)電基地發(fā)電量減少10%，就相當(dāng)于每年損失了1500個(gè)測(cè)風(fēng)塔。

海上風(fēng)資源測(cè)量可以采用多種不同方式，目前我國(guó)海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)主要來源于沿岸氣象站觀測(cè)、海洋船舶氣象觀測(cè)、石油平臺(tái)氣象觀測(cè)、衛(wèi)星遙感觀測(cè)、海上測(cè)風(fēng)塔測(cè)量等。其中沿岸陸地氣象站遠(yuǎn)離海域，難以精確代表海域風(fēng)資源狀況，會(huì)導(dǎo)致較大的風(fēng)資源分析誤差；石油平臺(tái)觀測(cè)為定點(diǎn)、定時(shí)、連續(xù)觀測(cè)，且覆蓋區(qū)域較小；船舶觀測(cè)直接來自于海上觀測(cè)，歷史資料時(shí)間長(zhǎng)，但是觀測(cè)點(diǎn)不均勻，多集中在航線附近，而且觀測(cè)次數(shù)有限；衛(wèi)星遙感觀測(cè)是目前發(fā)展起來的一種新技術(shù)，我國(guó)尚缺乏這方面的技術(shù)及數(shù)據(jù)。海上測(cè)風(fēng)塔測(cè)量最直接最有效，也最能代表風(fēng)電場(chǎng)所在海域的風(fēng)資源狀況，但是測(cè)量時(shí)間較短，不具有典型代表性。因此，在實(shí)際海上風(fēng)資源評(píng)估過程中，通常會(huì)采用多種海洋風(fēng)資源觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬、MCP方法等分析手段，進(jìn)行綜合分析評(píng)估。

四、海上風(fēng)資源評(píng)估

風(fēng)能資源評(píng)估是開發(fā)風(fēng)電的前提，是進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)選址、風(fēng)機(jī)選型、機(jī)位布局、發(fā)電量估算和經(jīng)濟(jì)概算的基礎(chǔ)。風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性直接決定著風(fēng)電開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的好壞，這一點(diǎn)在投資風(fēng)險(xiǎn)大的海上風(fēng)電開發(fā)中表現(xiàn)得尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，離岸10km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上高約25%，則最終發(fā)電量約大70%，這樣風(fēng)資源評(píng)估的微小誤差將會(huì)放大成較大發(fā)電量誤差，最終導(dǎo)致風(fēng)電開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的巨大損失。

（一）海上風(fēng)資源評(píng)估的特點(diǎn)

陸上風(fēng)資源評(píng)估技術(shù)已經(jīng)十分成熟，各國(guó)都已制定了有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，海上風(fēng)資源評(píng)估方法與陸上風(fēng)資源評(píng)估方法具有較大的相似性，如風(fēng)數(shù)據(jù)整理及校對(duì)、不合理數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)訂正等。但是由于海上風(fēng)資源的獨(dú)有特點(diǎn)，因此在進(jìn)行海上風(fēng)資源評(píng)估是還需要考慮以下因素的影響：

（1）尾流的影響距離和范圍。

（2）海洋氣候環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組維護(hù)和可利用率的影響。

（3）氣溫和水溫對(duì)近海風(fēng)速的影響范圍以及尾流作用距離的影響。

（4）潮位變化對(duì)風(fēng)速垂直分布的影響。

（5）晝夜海風(fēng)的變化規(guī)律。

目前，在海洋風(fēng)資源評(píng)估的研究方面，歐洲風(fēng)電技術(shù)先進(jìn)國(guó)家如丹麥、德國(guó)、英國(guó)等走在前列，并取得了很大進(jìn)展。進(jìn)行過多年觀測(cè)、分析和數(shù)值模擬，初步建立起了海上風(fēng)資源評(píng)估模型如海岸不連續(xù)模型（coastal discontinuity model，CDM）等多個(gè)風(fēng)機(jī)尾流模型，揭示了一些海上風(fēng)況所特有的規(guī)律和現(xiàn)象，如海岸對(duì)海上風(fēng)資源分布的影響方式、潮汐對(duì)海上風(fēng)速變化的影響、晝夜海風(fēng)的變化規(guī)律等。這對(duì)我國(guó)的海上風(fēng)資源評(píng)估具有重大的借鑒與學(xué)習(xí)價(jià)值。

（二）海上風(fēng)資源評(píng)估方法

根據(jù)風(fēng)資源評(píng)估在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)不同時(shí)期其服務(wù)對(duì)象、目的作用及使用方法的不同，可以將其分為宏觀風(fēng)資源評(píng)估和微觀風(fēng)資源評(píng)估兩個(gè)階段。

1.宏觀風(fēng)資源評(píng)估

宏觀風(fēng)資源評(píng)估處于海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃階段，其應(yīng)用對(duì)象主要是政府和管理部門，風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果是國(guó)家宏觀決策、行業(yè)發(fā)展和開發(fā)規(guī)劃的重要科學(xué)依據(jù)。宏觀風(fēng)資源評(píng)估方法主要有以下幾種：

（1）根據(jù)海上氣象實(shí)測(cè)資料（如船舶氣象觀測(cè)、石油平臺(tái)氣象觀測(cè)、浮標(biāo)、島嶼氣象站觀測(cè)以及科學(xué)考察觀測(cè)），通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法獲得整個(gè)海域的風(fēng)資源分布狀況及風(fēng)資源儲(chǔ)量。

（2）借助計(jì)算機(jī)軟件分析系統(tǒng)，利用中尺度數(shù)值模式進(jìn)行高分辨率的模擬計(jì)算，獲得整個(gè)海域的風(fēng)資源分布狀況及風(fēng)資源儲(chǔ)量。

（3）利用衛(wèi)星遙感資料［星載無源微波（passive microwave）遙感器、高度計(jì)（altimeter）、電子散射儀（scatterometer）和合成孔徑雷達(dá)（SAR）］，通過統(tǒng)計(jì)分析獲得整個(gè)海域的風(fēng)資源分布狀況及風(fēng)資源儲(chǔ)量。

2.微觀風(fēng)資源評(píng)估

微觀風(fēng)資源評(píng)估處于海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)可行性研究階段，其應(yīng)用對(duì)象主要是風(fēng)電開發(fā)管理和審批部門、風(fēng)電開發(fā)商，其分析結(jié)果直接應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布局、風(fēng)機(jī)選型、發(fā)電量估計(jì)和經(jīng)濟(jì)概算。微觀風(fēng)資源評(píng)估方法主要是根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)資源數(shù)據(jù)，采用微尺度數(shù)值模擬軟件（如WAsP、Wind Farmer、Wind PRO等）進(jìn)行高分辨率模擬計(jì)算，分析風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)況分布，繪制風(fēng)圖譜，進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)機(jī)排布、發(fā)電量計(jì)算等微觀選址操作。

（三）海上風(fēng)資源評(píng)估

風(fēng)流動(dòng)特性對(duì)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)非常重要，應(yīng)注意到不同時(shí)間尺度下風(fēng)的變化和對(duì)風(fēng)電場(chǎng)不同的影響。必須要考慮的尺度變化有幾秒鐘內(nèi)（湍流）、幾分鐘內(nèi)、日、月、季節(jié)（自然變化）、年（自然變化）和幾十年甚至幾百年（極端情況）。

1.常規(guī)數(shù)據(jù)組

風(fēng)電場(chǎng)早期開發(fā)階段，某個(gè)站點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估的首要步驟之一是調(diào)查合適的數(shù)據(jù)組，從氣象站搜集風(fēng)速數(shù)據(jù)信息來預(yù)報(bào)天氣。但是大多數(shù)氣象數(shù)據(jù)是在標(biāo)準(zhǔn)10m高度下測(cè)量的，這是由世界氣象組織（WMO）所規(guī)定的。還有不同用途的其他數(shù)據(jù)源，如為保證空中交通安全的機(jī)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、港口測(cè)量數(shù)據(jù)或保證海航航運(yùn)安全浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)和海上石油或天然氣平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)組的質(zhì)量均要得到驗(yàn)證。這包括數(shù)據(jù)歷史信息和其他元數(shù)據(jù)（例如，儀器規(guī)格、儀器支架、數(shù)據(jù)采集協(xié)議和觀測(cè)高度）。

2.公共測(cè)風(fēng)塔（政府擁有）

一些國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)通過補(bǔ)貼和資助氣象測(cè)風(fēng)桿來加速海上風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。科學(xué)界助推風(fēng)能知識(shí)領(lǐng)域的發(fā)展，在其幫助下，測(cè)量質(zhì)量通常很高。然而，這些措施是罕見的，大部分海上測(cè)風(fēng)塔是私人擁有的，其數(shù)據(jù)是保密的。測(cè)風(fēng)塔為某一地區(qū)提供一般性服務(wù)，因而這些測(cè)風(fēng)塔事實(shí)上不可能恰好位于某個(gè)計(jì)劃中的風(fēng)電場(chǎng)中。

3.衛(wèi)星數(shù)據(jù)

近年來，衛(wèi)星圖像作為另一種海上風(fēng)速地圖得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星技術(shù)也存在一些問題。例如，基于對(duì)圖像解釋得到的“風(fēng)速測(cè)量”是一種間接計(jì)算方法，即使相對(duì)精確度（大面積梯度）確實(shí)具有說明性，其精確度也還是有限的。某些地區(qū)時(shí)間和地點(diǎn)的覆蓋范圍取決于實(shí)際的衛(wèi)星軌跡，所以可解釋為長(zhǎng)期平均值。然而，人們致力于基于衛(wèi)星系統(tǒng)的信息，期望其對(duì)風(fēng)能的利用和開發(fā)有所幫助。

4.網(wǎng)格數(shù)據(jù)組

氣象機(jī)構(gòu)的常規(guī)氣象預(yù)報(bào)使用大型模型得到所謂的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）。雖然最初創(chuàng)建這些模型并不是完全為了用于氣象研究，但它們確實(shí)能夠創(chuàng)造時(shí)間序列，得到網(wǎng)格點(diǎn)的氣象參數(shù)，提供如風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)。通過觀測(cè)值驗(yàn)證后，可創(chuàng)建追報(bào)數(shù)據(jù)組。雖然數(shù)據(jù)實(shí)際上已經(jīng)由模型得到，但通過與觀測(cè)值比對(duì)，其質(zhì)量已得到提升。這些模型數(shù)據(jù)組能覆蓋較大面積，但同時(shí)空間分辨率很低。這種情況下，還需應(yīng)用局部?jī)?nèi)插方法。該方法同樣適用于較為粗糙的垂直分辨率（風(fēng)速）。

5.風(fēng)能地圖

區(qū)域風(fēng)速大小信息往往繪測(cè)于風(fēng)能地圖，此形式確實(shí)非常吸引人。一方面，風(fēng)能地圖是使用者的信息源；另一方面，它展示了測(cè)量活動(dòng)和建模工作的結(jié)果。大型風(fēng)能地圖（海上）已有出版，因而可輔助初期選址現(xiàn)場(chǎng)勘察。由于基本信息和模型造成較低的分辨率，地圖精度通常有限。此外，一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)的詳細(xì)風(fēng)能地圖（例如，擬議的風(fēng)場(chǎng)）需花費(fèi)更多精力，可用于詳細(xì)的布局設(shè)計(jì)。例如，近期由中國(guó)氣象局（2011）出版的中國(guó)海上風(fēng)能地圖。

6.專用氣象測(cè)風(fēng)塔

取得當(dāng)?shù)仫L(fēng)速數(shù)據(jù)組的最好方法是在現(xiàn)場(chǎng)矗立專用測(cè)風(fēng)儀。儀器儀表的質(zhì)量和設(shè)計(jì)方案最好盡可能地符合IEC要求，因而觀測(cè)高度應(yīng)接近輪轂高度，目前可達(dá)100m（及以上）。雖然此做法益處頗多，這種氣象測(cè)風(fēng)桿費(fèi)用昂貴（取決于風(fēng)場(chǎng)，特別是海水深度）。因此，決定安裝氣象桿前，項(xiàng)目開發(fā)人員需要良好的經(jīng)營(yíng)狀況。特別是在英國(guó)，一些開發(fā)商已擁有自己的測(cè)風(fēng)塔，但最后，項(xiàng)目規(guī)劃的數(shù)據(jù)組的持續(xù)記錄時(shí)間僅限于1年或許幾年，這意味著仍然需要其他信息來源以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的長(zhǎng)期了解。

7.新的測(cè)量技術(shù)

近些年，其他遙感儀器已應(yīng)用于風(fēng)能產(chǎn)業(yè)。聲雷達(dá)和光雷達(dá)制造商，即聲音探測(cè)和測(cè)距以及光檢測(cè)和測(cè)距的儀器制造商，因?qū)︼L(fēng)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生極大興趣，積極調(diào)整其產(chǎn)品規(guī)格以適宜于風(fēng)能測(cè)量的需要。即最大測(cè)量范圍縮減到200～300m，同時(shí)提高垂直分辨率。

光雷達(dá)尤其具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

聲雷達(dá)（或光雷達(dá)）可作為專用海上風(fēng)能測(cè)量工具選擇之一。最好的辦法是將儀器放在一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)上，可以是現(xiàn)有的（如石油或天然氣平臺(tái)）或是專門設(shè)置的。前者較為便宜（如果有的話），相比傳統(tǒng)的海上測(cè)風(fēng)塔，后者仍相當(dāng)昂貴。然而，該結(jié)構(gòu)尺寸大小可能小于100m氣象測(cè)風(fēng)桿。

將光雷達(dá)放置于漂浮物上（如浮標(biāo)）這一方法相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。由于其尺寸小、功耗低，幾家公司已開始提供此項(xiàng)服務(wù)。考慮到浮標(biāo)在各個(gè)方向連續(xù)移動(dòng)，測(cè)量質(zhì)量需得到進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，通達(dá)性是有限和/或耗費(fèi)多的，因此該系統(tǒng)應(yīng)盡可能多地具有獨(dú)立操作能力，需要較高的技術(shù)可靠度。

一般而言，光雷達(dá)首先面對(duì)的挑戰(zhàn)是作為一般陸上測(cè)量工具，接下來作為海上（浮動(dòng)裝置）測(cè)量工具。

（四）產(chǎn)能預(yù)測(cè)

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估擬定后，下一步是計(jì)算擬定風(fēng)電場(chǎng)的產(chǎn)值。優(yōu)化過程中風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的特性（風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量和類型、輪轂高度、位置）均可改變，但需了解預(yù)期收益（或者年發(fā)電量，AEP）。本書介紹了一般優(yōu)化計(jì)算方法，此方法也適用于與海上具體情況不同的陸上風(fēng)電場(chǎng)。

1.普適方法

圖1-3-1展示了如何從風(fēng)速信息及其他輸入量得到最終結(jié)果，即風(fēng)場(chǎng)年發(fā)電量的一般計(jì)算方法。

風(fēng)速，地形和風(fēng)電機(jī)組規(guī)格是輸入信息。風(fēng)速和地形信息送入氣象模型來模擬當(dāng)?shù)貜V義風(fēng)氣候。風(fēng)電機(jī)組規(guī)格和風(fēng)氣候信息輸入到出力模型得到所需的結(jié)果。

2.風(fēng)速

風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果為產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)，不僅僅需要平均風(fēng)速。雖然普遍認(rèn)為風(fēng)速是評(píng)判某個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源好壞的第一指標(biāo)，但其他特性也不容忽略。首先是風(fēng)玫瑰圖，風(fēng)頻率是風(fēng)向的函數(shù)，影響風(fēng)電場(chǎng)的布局優(yōu)化；第二是頻率分布，即每個(gè)風(fēng)速區(qū)間的發(fā)生頻率（圖1-3-2）。

3.地形

風(fēng)的重要特性之一是其值隨高度變化，即風(fēng)廓線。風(fēng)廓線的形狀由兩點(diǎn)決定：一是由地球表面的平滑度，更確切地說是表面粗糙度所造成的機(jī)械摩擦效應(yīng)；二是溫度廓線的熱效應(yīng)，熱效應(yīng)造成大氣有穩(wěn)定、不穩(wěn)定或者中性三種狀況。根據(jù)定義，中性大氣是指大氣中的熱效應(yīng)相比機(jī)械效應(yīng)（通常是在高風(fēng)速下）而言可以忽略不計(jì)的情況。

粗糙度為表征地球表面摩擦力的大小，地形粗糙度可以被量化，其表現(xiàn)形式可以是粗糙等級(jí)或者是粗糙度（單位：m）。事實(shí)上，可將海平面看成一個(gè)廣闊海域，因而其表面粗糙度是由波浪決定的，粗糙度隨著風(fēng)速的增加而增加。然而，大多數(shù)情況下，粗糙度均以平均值計(jì)算（0.0002m）。

相比于陸上風(fēng)電場(chǎng)，海上地形（高度）是不相關(guān)的。某些情況下，障礙物可能影響風(fēng)電機(jī)組附近風(fēng)的流動(dòng)。同樣，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)而言，粗糙度不太重要，因而在此不做過多詳細(xì)說明。

4.氣象模型

風(fēng)速和地形信息輸入到氣象模型中。氣象模型是基于邊界層氣象領(lǐng)域的科學(xué)研究結(jié)果。普遍應(yīng)用的方法是由丹麥科技大學(xué)風(fēng)能中心（之前是Riso實(shí)驗(yàn)室）開發(fā)的WAsP軟件，需要計(jì)算的量包括水平和垂直變換值。

最終要考慮的是時(shí)間特性。例如，若有一年風(fēng)速測(cè)量值作為基本信息，必須轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)期特性值（10～20年），因?yàn)殚L(zhǎng)期信息才是研究重點(diǎn)。此外，必須注意到所有的數(shù)據(jù)集僅代表過去（按定義），而對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言只對(duì)未來感興趣。

下面以圖1-3-3這一理論示例說明這一點(diǎn)。圖中給出一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)10年期間月發(fā)電量序列值，且歸一化到100%的平均水平。此例顯示少于50%以及超過250%的變化值，對(duì)歐洲西北地區(qū)較為典型，換句話說，風(fēng)資源最好月份的發(fā)電量是風(fēng)資源最差月份的5倍。類似地，相同數(shù)據(jù)平均到1年的結(jié)果繪制于圖1-3-3。

從圖1-3-4中可以很清晰地看到各年份風(fēng)速有很大不同。通常做法是采取測(cè)量-關(guān)聯(lián)-預(yù)測(cè)（measurement correlate predict，MCP）的計(jì)算方法。

此方法為：一年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與至少10年的長(zhǎng)期參考數(shù)據(jù)組，例如，從鄰近的氣象站得到的數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，若有足夠的相關(guān)性（有不同計(jì)算方法），一年測(cè)量值可以修正為長(zhǎng)期值，參看示例圖（圖1-3-3和圖1-3-4），如果一年有至少85%的值，可考慮計(jì)算出100%的水平。

5.風(fēng)氣候

風(fēng)氣候提供的最終結(jié)果至少包括長(zhǎng)期平均風(fēng)速，風(fēng)玫瑰圖和風(fēng)速頻率分布。理想條件下，還包括湍流值（強(qiáng)度），并可推出極端值。這些參數(shù)在制造商評(píng)估風(fēng)電機(jī)組是否符合IEC要求時(shí)十分重要。

6.技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組信息包括風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)規(guī)格，如輪轂高度、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)位等基本信息。最重要的是功率曲線（或者是P-v曲線），即給出風(fēng)速與功率輸出間的函數(shù)關(guān)系；其次是C-t曲線（推力曲線），即考慮風(fēng)輪前后風(fēng)速值的變化。

7.年發(fā)電量

正在開發(fā)的項(xiàng)目需要年發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果（AEP），也可理解為輸送到電網(wǎng)的長(zhǎng)期凈年平均發(fā)電量。結(jié)合實(shí)際電能的價(jià)格，年發(fā)電量是項(xiàng)目收入的主要推動(dòng)因素。確定風(fēng)氣候后，年發(fā)電量通過以下步驟計(jì)算得到：

（1）理想發(fā)電量。理想發(fā)電量（該術(shù)語沒有被廣泛使用）指的是僅考慮風(fēng)電機(jī)組P-v曲線的電力生產(chǎn)值。其結(jié)果相當(dāng)理論化（這是其稱為理想發(fā)電量的原因），這意味著生產(chǎn)過程中沒有絲毫損失，當(dāng)然也沒有尾流損失。因而此結(jié)果即是將一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)假設(shè)為一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

（2）總發(fā)電量。總發(fā)電量包括（計(jì)算的）尾流損失。因而該結(jié)果考慮到了風(fēng)電場(chǎng)不同風(fēng)電機(jī)組的具體機(jī)位，風(fēng)氣候特性（風(fēng)玫瑰圖）和風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)（C-t曲線）。視具體情況而定，總的尾流損失是相當(dāng)多的，尤其是海上風(fēng)電場(chǎng)。10%～20%的尾流損失是相當(dāng)常見的。目前已有大量關(guān)于如何改善尾流模型的研究，因?yàn)槠涫遣淮_定性的主要來源之一，特別針對(duì)于海上可用測(cè)量數(shù)據(jù)較少的情況。

（3）凈發(fā)電量。凈發(fā)電量包括所有損失因素的計(jì)算和估計(jì)值。因?yàn)橛行┮蛩夭贿m于所有情況，對(duì)于具體場(chǎng)址，都必須檢查各種可能的影響因素。

8.不確定性分析

通常，最終年發(fā)電量的不確定性結(jié)果邏輯上是基于普適方法。不確定性可歸因于數(shù)據(jù)和模型步驟。測(cè)量工具不可能有無限精度，模型是現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化，當(dāng)然有其局限性。對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目，有關(guān)項(xiàng)目選址和測(cè)量持續(xù)時(shí)間、測(cè)量?jī)x器位置的選取均是考查重點(diǎn)。首先計(jì)算有一定不確定性的長(zhǎng)期平均風(fēng)速，單位為m/s；接下來得出這種不確定性，確定這種不確定性對(duì)出力的影響（以MW·h/a表示）；然后將風(fēng)速到出力的確定步驟的所有不確定值累加，得到總的不確定度。

任務(wù)回顧與思考

1.試述海上風(fēng)資源評(píng)估的特點(diǎn)。

2.試述海上風(fēng)資源評(píng)估的方法與流程。

3.試述海上風(fēng)資源產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

4.試述海上風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的計(jì)算流程。