风能资源开发利用气象服务体系设计_贺志明

收稿日期:2007-05-28;修订日期:2007-08-02

作者简介:贺志明(1976-),男,工程师,主要从事资源气象、环境气象研究工作。基金项目:中国气象局 风电场选址和风电场保障业务系统 项目资助。

第25卷 第5期2007年10月

江 西 科 学

JI A NGX I SC I ENCE

Vo.l 25N o .5

O c.t 2007

文章编号:1001-3679(2007)05-0611-05

风能资源开发利用气象服务体系设计

贺志明,聂秋生,蔡 哲,刘东海

(江西省气象科学研究所,江西 南昌330046)

摘要:分析了能源增长和风力发电的发展趋势,针对风电场的建设运行对气象服务的需求,提出了风能资源开发利用气象服务体系的建设目标和内容,设计了其业务流程,为风能资源开发利气象服务体系建设提供参考。关键词:风能资源;气象服务体系;设计中图分类号:TK89 文献标识码:A

The Desi gni ng on M eteorol ogical Service Syste m of

W i nd R esources D evel op m ent U se

H E Zh-i m i n g ,N I E Q i u -sheng ,CA I Zhe ,L I U Dong -ha i

(Ji angx i P rov inc ialM eteoro l og ica l Sc ience Instit u te ,Jiangx iN anchang 330046PRC )

Abst ract :Ana lyzed the energy gro w th and the w i n d po w er generation deve l o p m ent tendency ,needle

w indw ar d e lectric field constructi o n m ove m ent to m eteorolog ical serv ice de m and ,proposed t h e con -str uction goal and t h e conten t o f w i n d energy resources deve l o p m ent use to m eteoro log ica l serv ice syste m,desi g ned its ser v ice flo w,prov ide the reference for the w i n d energy resources developm en t use m eteo r o log ica l serv ice syste m constr uction.K ey w ords :The w i n d energy resources ,The resources m eteorological service syste m,D esi g n

0 引言

目前,全球都面临着能源挑战,气候变化、日益增长的能源需求、能源安全问题得到广泛关注。

1985年,中国曾净出口石油3540 104

,t 从1993年开始转为净进口,2005年净进口石油达到1.4

108,t 约占需求的40%以上。中国未来的经济增长目标是,GDP 到2020年将比2000年翻两番,基本实现工业化。专家估计,能源消费应比2000

年的13.6 108

t 标准煤翻一番多,才能保证实现GDP 翻两番的目标[1]

。

风能资源是清洁的可再生能源,安全、清洁、资源丰富,取之不竭,是一种永久性的大量存在的

本地资源,可提供长期稳定的能源供应。风力发

电是新能源领域中技术最成熟、最具规模开发商业化发展前景的发电方式之一。发展风电对于保障能源安全、调整能源结构、减轻环境污染、实现可持续发展等都具有非常重要的意义。近年来,中部地区工业快速发展,人民的生活水平迅速提高,对能源的需求也快速增长,要实现可持续发展目标,保障能源的持续安全供应,大力开发清洁的风能资源,已经进入实际操作阶段。

2002年,欧洲风能协会与绿色和平发表了《风力12》的研究报告,全面评述了世界范围内发展风电的资源条件、技术基础和政策环境,提出了2020年风电在全球全部发电装机中占据12%的

宏伟目标。根据国民经济发展和能源需求,国家发展和改革委员会制定的2020年风电发展目标为3000 104KW。近5年来,世界风电装机以年均26.3%的速度快速增长,装机容量不断扩大。到2005年底,全球风电累计装机5932 104KW,中国风电累计装机容量126.6 104KW,比上年增长66%。可以预计未来15年将是我国风电大发展的大好时机。中部地区虽然地处内陆,因为冷空气活动、台风活动和特殊地形作用,也蕴藏可观的风能资源储量。薛桁、朱瑞兆[2]等根据全国900余个气象台站实测资料,估算了各省及全国离地面10m高度层上的风能资源储量,我国的风能资源总贮量为32.6 108KW,实际可开发量为2.53 108KW。其中以江西省为例,据现有资料初步估算,江西省鄱阳湖区风能资源较丰富,技术可开发量约210 104KW。该地区受峡管湖道地形的作用,风向稳定,风力品质较优[3]。

1 建设的必要性

1.1 是贯彻落实国务院[2006]3号文件的需要

2006年1月12日, 国务院关于加快气象事业发展的若干意见 (国发[2006]3号)正式印发。国务院3号文件明确要求: 做好风能、太阳能开发利用的气象服务。气象主管机构要负责组建太阳辐射、风力强度监测网,在全国范围内开展风能、太阳能资源的多层次普查和可利用资源的评估,为制订和修订风能、太阳能资源开发利用规划提供科学依据,为大型风电场和太阳能电站勘察、选址提供技术支持,为风电场、太阳能电站的建设、运行、调度提供实时气象监测和预报服务[4] 。要完成国务院赋予气象部门的职责,必须建立从风能资源监测、评价和预报服务和技术服务一体的风能资源开发利用业务服务体系。1.2 是满足风电场建设对风能资源精细化评价

的需要

因为风资源调查和评估的可以分为以下几个步骤:风能资源普查的资料网格间距100km~ 200km;风能资源详查的资料网格间距为10km ~50km;风能资源的细查和选址资料网格为间距0.5k m~5km;微观选址的还要精确到风机排布与出力估计。目前国内的风电场微观选址大多数是应用丹麦国家实验室的WASP软件和美国的W i n dFa m er软件,由于风能资源局地性分布非常强,加上测风资料的不足和国外软件主要适用于平原地区,没有针对中国地区进行开发,使得国内风电场微观选址效果不太理想,导致在复杂地形地区风电场移动风机的现象非常普遍。据风电专家透露,因为资源评价失实等原因,国内建成运行的风电场实际发电量一般比风能资源评估低20%~30%,有的甚至低40%,严重影响了风电场的收益。杨振斌、薛桁[5]等就复杂地形条件下风能资源评估进行初步研究,通过对北京大学准净力模式进行改进,并进行数值模拟试验。结果表明,理想地形条件下的模拟结果,很好的体现山区流场特性,对复杂地形条件下风电场风机布局具有很好的指导意义。准确的风能资源数据需要气象部门有专业的风能资源评价队伍,有过硬的风能资源评价技术和严谨的业务服务流程,从而为风电的开发建设提供技术支持,为政府和公司提供决策依据。

1.3 是应对气候变化的需要

风能资源的优劣是能否发展风电场以及影响风电场效益发挥的重要因素。近百年来全球和中国的气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化,它对世界和我国的生态系统和社会经济产生了并将继续产生重大的影响。气候变化背景下风能资源变化如何,未来风能资源空间分布如何变化,未来风能资源长期变化趋势如何,气候变化对风能资源开发利用产生哪些影响等,这些问题必须由气象部门用观测数据、科研成果和业务产品来回答。因此,非常有必要建立风能资源开发利用业务服务体系,以实现对风能资源的长期监测、分析与评估。

1.4 是做好风力发电预报的需要

截至2005年底,中国风电累计装机容量126.6 104KW,建设风电场62个,累计风电机组1864台,分布在15个省(市、自治区),2005年装机比上年增长65.6%,2005年风电上网电量15.

3 108KW时。中部地区经过几年的风能资源调查和评价,风电场的开发建设即将进入实际开发利用阶段。风力资源会呈现有规律性的日变化、月变化、季变化和年变化特征,而风电有一定的电网接受条件。风电场运行和调度与气象条件关系密切,如风向、风速的变化会引起风力发电的变化,从而会影响电网的调度。目前我国风电场建设的制约因素之一就是风电的不稳定性对电网的冲击,在实际工作中,电网公司都要求风力发电公司提供预期发电量,但目前国内还没有气象部门

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江 西 科 学2007年第25卷

开展风力发电预报业务,而是由风电场承担运营的公司根据经验简单进行分析,预报准确度急需提高。

1.5 是做好风电场运行气象服务保障的需要

对风机产生威胁的气象灾害主要有低温、结冰、台风、雷暴、沙尘暴等,我国幅员辽阔,区域气候特征变化明显。风机是风电场投资的主体,风机的投资占风电场投资的比例很大,1台1200 KW的风机投资就达到500万元~600万元。如极端风速对风机影响极大,2003年9月台风 杜鹃 影响红海湾风电场,很多风机叶片破裂,有的折断;2006年8月的超强台风 桑美 影响温州苍南鹤顶山风电场,多数风机叶片折断,有的风机竖杆甚至拦腰折断,损失很大。如果有风电场预报预警信息,采取提前关机等预防措施,可以减少风电场的损失。如何做好风电场运行的气象服务保障已经是一个迫切的课题。

2 建设的主要目标

风能资源开发利用业务服务体系在充分利用气象部门现有的监测网的基础上,在有开发利用价值的重点地区增设风能资源监测塔,采用无线传输通讯技术,建立具有风能资源动态监测、评估分析和预报预警功能的风能资源开发利用业务服务流程,为各地气象部门开展风电场选址、风电场资源评价、风电场预报和风电场运行保障提供应用平台。

2.1 组建风能资源监测网

在充分利用现有风能资源监测塔的基础上,在风能资源丰富的重点地区建立风能资源业务观测铁塔,形成风能资源梯度监测网。风能资源观点测网布点原则如下:

(1)调查现有风塔位置,避免出现重复建设;

(2)在选定风能资源丰富区内北方平原开阔地约每200k m2布设一座风塔,山地复杂地形密些,约每50k m2布设一座风塔;

(3)模式模拟指导风塔选点,针对选定的风能资源丰富区,选择不同天气类型进行数值模拟试验,风速变化梯度大的地区选点设测风塔;

(4)在不同地形及下垫面条件下,如高原、山地、丘陵、平原、沙漠、戈壁、湖泊周边、沿海等地设测风塔;

(5)按照不同气候特点设塔。

2.2 建设风能资源开发利用数据库

数据库包含拟开发风电场周边的气象台站的历史数据、测风铁塔数据、风电场资源评价数据,风能评价成果、风电场预报产品和服务材料。邱凉[6]等以V isual Basic为开发工具,利用SQL Server为数据库开发风能资源评估系统,使得风能评价工作在w indo w s平台下实现了数据导入、提取、修改、订正和评价功能,提高了工作效率和服务质量。其设计和开发思路值得借鉴。

2.3 建成风能资源技术服务平台

为风电场建设提供风能资源精细化评价提供分析加工平台,提升气象部门开展风能资源评价的水平和技术含量。

2.4 开发风电场预报平台

为风电场建设、运行、电力调度提供预报预警服务。开发出一套含统计预报、数值预报的风力发电量预报模型,为风电场运行、电力调度提供气象服务。为全国气象部门开展风电场预报预警、服务产品分发提供应用平台。

2.5 设计风能资源开发利用业务服务流程

针对风电场建设全过程对气象的需求和气象部门的特长,设计风能资源从实地调查、资源评价、风电场预报和风电场保障的技术流程,为风电场选址、建设、运行和保障提供气象服务,并业务化运行。

2.6 培养风能资源技术服务队伍

结合风力发电和气象资源技术培养一支风能资源监测、评价和预报预警服务和研究的人才队伍,为风电场建设提供技术服务和业务产品。

3 建设的主要内容

3.1 风能资源监测网

根据重点风能资源开发利用区的面积、地形特征、气候成因和实际需求设计风能资源监测铁塔的个数和具体位置,组建可以长期进行业务观测的风能资源监测网。论证风向风速仪的层数,确保观测数据的完整率要达到业务运行的要求,同时兼顾当地中尺度业务预警系统的监测需要,在6m处安装气温、气压、湿度(风能监测亦需要)、雨量4要素传感器。以后还可以视服务需要在塔上安装其它的监测仪器。业务铁塔监测包含风向风速、风脉动和风工程参数的梯度动态监测、常规气温、气压、湿度、雨量动态监测。所有气象要素采样为连续不间断采样,数据通过GPRS 模式实现实时传输,并纳入现有的气象部门的

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第5期 贺志明等:风能资源开发利用气象服务体系设计

三站四网 建设布局。

3.2 风能资源数据库3.2.1 数据库内容 风电场周围气象台站的历史数据;新增测风站数据;开展风电场选址所积累的数据;已有及新增的风能评价成果或产品。3.2.2 数据库内容格式 原始气象数据及数据类产品以ACCESS 形式储存;文本文件及图像类产品以PDF 格式储存。

3.2.3 数据库功能 对来自各个测风站的原始数据进行采集、分类、整理和存储;向产品加工系统提供信息;自动将原始数据转化为 三站四网 显示平台所需的格式并发送至省级气象信息中心。

3.3 风能资源技术服务平台

杨振斌、薛桁

[7]

等提出应用卫星遥感反演出

地形、地貌特征,融合地理信息数字高程数据,获得三维TM 图像,在三维地形上进行风场的数值模拟和分析,用以进行风电场宏观选址。选择合适的数值模型,通过数值模拟得出风场分布,进而初步得出风电场的面积、风能技术可开发量、风能品质等,为风电场宏观选址提供技术支持。如果有进一步的详细测风数据,且用户需要,通过购买单个风电场高精度地理信息地图,引进风电场微观选址模型并实现本地化,计算出风机阵列的位置。

建立风能资源技术平台,可以对实测资料和数值模拟结果进行分析、计算和评估,完成重点风场风能资源储量、技术可开发量、有效风时数、年平均风功率密度等参数的计算,并绘制基于G I S 技术的风能资源分布图,估算风场可实际开发利用的面积和风能资源量,为风电场规划和选址提供精细化的资源评价结果。3.4 风电场预报平台

通过风能资源测网的实时资料和常规气象站的资料,选择合适的中尺度数值模拟,模拟出目标区域的各气象要素场,结合风电场运行风机的参数和统计规律和预报员的经验,给出风电场48h 发电量预报,对风电场有破坏作用的大风发布预警信息,为电网调峰及风电场安全运行提供气象服务。由大风引发的气象灾害预警发布纳入现有灾害性天气发布体系。3.5 业务服务流程设计

根据风能资源开发利用对气象的实际需求、

特点设计业务服务流程,如图1。

图1 风能资源开发利用气象服务技术流程

4 结论

(1)可提高气象部门风能资源开发利用水平,为国家和区域的能源安全和能源保障提供技术支持。

(2)提升气象部门风能资源监测、评价、预报和服务能力,推动清洁战略能源的建设,为社会发展做出更多的贡献,并获得相应的经济利益。(3)可科学地掌握有开发利用价值风场的风能资源的动态变化规律,使风能资源得到充分合理的应用,提高风电投资的效益,节约风电投资的成本。

(4)为今后风电场建成运行提供发电量预报、大风警报和电网调峰等气象保障服务提供技术和业务平台。

(5)可以增强对灾害性天气的监测和预报预警能力,可更好地满足大风区域公众生活、交通、农业、渔业等方面在气象信息方面的需求,提高大风区域的气象服务质量,有利于预防因大风而引发的气象及其衍生灾害。

参考文献:

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[4]《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》(国发〔2006〕3号)[EB /OL ].http ://www .gov .cn /ztzl/2006-07/27/content_347464.ht m ,2006-07-27.

[5]杨振斌,薛 桁,桑建国,等.复杂地形风能资源评

估研究初探[J].太阳能学报,2004,25(6):1-6.[6]邱 凉,鱼京善,秦树林,等.风能资源评估系统开发与应用[J].能源环境保护.2004,18(2):1-3.[7]

杨振斌,薛 桁,王茂新,等.卫星遥感地理信息与数值模拟应用于风能资源综合评估新尝试[J].太阳能学报,2003,24(4):1-4.

(上接第601页

)

图4

的整体误差在整个迭代过程中的变化情况

图5 k 的整体误差在整个迭代过程中的变化情况误差在迭代一次后都下降了很多,但是,单独反演k 时,在迭代12次后就趋于稳定,同时反演k , 时在迭代27次后才趋于稳定,这是由于单个反演较同时反演容易;从图4和图5可看出,同时反演时,k , 几乎是同步收敛的,这表明二者可以在同化过程中得到同步修正。

以上试验结果表明,本文提出的变分伴随法

解此类非线性抛物方程同时反演问题是行之有效的。

参考文献:

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