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風能開發中的幾個關鍵科學問題

來源:鉅大LARGE    2019-08-07    點擊量:23

風能開發的重要性已無可爭辯,進行大規模風能開發必須首先解決一系列關鍵科學問題。


國家氣候中心副主任、中國氣象局風能太陽能資源評估中心主任羅勇研究員和中國科學院大氣物理所研究所研究員胡非在接受《科學時報》采訪時,不約而同地強調了這一觀點。那么,風能資源開發究竟面臨哪些與大氣科學有關的關鍵性科學問題呢?


建立風能資源精細化評估模型


就像開發礦產資源要先找礦一樣,開發風能資源就必須先找風,但是風能和礦產資源又不同,不是有了風就一定能開發出風能。胡非說,必須建立一套有效的科學方法進行風能資源的詳查。這些科學方法包括改進和發展國際上已有的風能資源評估理論和方法、建立適合于中國氣候和地形特點的風能資源精細化評估模型。


從大氣科學的角度來講,風力發電主要利用的是近地層中風的動能資源(風力發電機輪轂高度一般不超過120米),因此,必須詳細了解在中國風機高度范圍內(120米以下)的風能資源總儲量是多少,哪里是中國風能資源的宏觀豐富區。


羅勇則向記者介紹,以往的中國風能資源評估主要采用的是氣象臺站10米高度上的常規測風資料和少量測風塔資料,受氣象臺站空間分布密度、測風塔資料序列較短以及尚未建立適應中國季風氣候特征和地形特點的精細化評估理論和方法等因素的限制,尚不能準確地給出風機高度上的風能資源總儲量以及精細化(水平分辨率達1公里,垂直分辨率達10米;下同)的地區分布特征。因此,要實現中國風能資源的大規模可持續開發利用,必須首先詳細了解中國風機高度上的風能資源的具體分布區域。


羅勇進一步強調,要在風能資源宏觀豐富區內科學指導風電場的微觀選址,還需建立適合于中國季風氣候特征和地形特點的風電場微觀選址模型,才能實現風能資源的精細化評估,其結果才能更好地應用于風電場的設計和建設。


為了進行風能資源的精細化評估,同時也可為風電場的動力學設計和風電量預報提供技術支撐,還需要有風電場和風機尺度的微小尺度數值模式。


 總之,我們的目的是要真正實現多尺度的風場模擬和預報,這也是我們要攻克的關鍵技術難題之一。胡非說。


極端氣候對風能開發的影響


 2003年13號臺風‘杜鵑’、2006年1號臺風‘珍珠’和8號臺風‘桑美’分別造成了廣東汕尾紅海灣風電場、南澳風電場和浙江蒼南鶴頂山風電場的風機嚴重損毀。談到極端天氣氣候對風能資源開發的影響時,羅勇說,以前,在設計風電場的時候,對極端天氣氣候的影響討論不多,例如東南沿海的臺風究竟有多強,會對風電場造成多大的影響。現在這些問題卻成為風能資源開發必須首先解決的關鍵問題,尤其要考慮極端天氣或氣象災害的影響,如強沙塵暴、強風、強臺風、覆冰、雷擊等。


胡非同樣指出,如何根據極端氣候環境條件指導風電場建設的宏觀布局和重點地區,如何科學評估不同地區風電場建設的氣候風險(主要是因極端氣候環境條件對風電場造成破壞的幾率)是目前風能開發中的重要科學問題。例如,熱帶氣旋、龍卷風、爆發性溫帶氣旋、低溫、風暴潮、海冰等惡劣氣候環境會嚴重影響風電場的安全運營,其中熱帶氣旋的影響最甚。


胡非舉例說,目前,對大氣邊界層中風機高度范圍內的熱帶氣旋風特性仍缺乏深入的了解,不能為沿岸和近海風電場設計提供可靠的空氣動力學參數,風電場規劃和建設缺乏氣候風險分析依據。


在全球氣候變化的大背景下,只有在科學認識中國風能資源的過去變化事實及其成因,并對未來可能的變化趨勢作出較為準確的預測的基礎上,才能實現中國風能資源的大規模可持續開發利用,為風電場的宏觀布局和微觀選址提供科學依據。如,中國的風能資源過去是如何變化的?未來演變趨勢如何?能否可持續地利用?胡非說。


風能資源監測和預報系統


由于風能的廣泛利用,越來越多的風電企業需要準確的預報服務。風電企業對風能短期預報的需求是:需要發電量的預報而不是風速的預報;提前一天發布36~48小時內的逐時預報;給出預報可信度;提前幾天的中期預報對規劃和管理維護十分重要。


現在的天氣和氣候模式基本上都還不能對風電場尺度的風速分布作出精細的預報。胡非說,要大規模建設風力發電場必須提高已建風電場的風電量短期預報水平。


羅勇也指出,由于電網電力調度的需要,風電上網需要估計其可發電量。在這方面,中國現有的風電場主要是根據天氣預報結合當地的氣候條件開展了一些風電預報工作。2006年6月,中國氣象局成立風能太陽能資源評估中心。該中心已開始做一些風電量預報方面的工作。我們正在和兩個風電場合作作一些風電量預報系統的建設和開發。


 不過這些還遠遠不夠,目前亟須建立專門服務于風電場風電上網調配的風能資源監測、預報系統。羅勇指出。


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