风能资源数值模拟及其在中国风能资源评估中的应用研究

摘要

风能是一种清洁的、可再生的、储量很大的能源，风力发电是具有大规模发展潜力的成熟的可再生能源技术。风力发电的前提是进行风资源最优场址的选择，其关键是要摸清风能资源状况及其分布和变化。客观、准确的风能资源评价是促进风力发电规模化发展的重要保障。
　　 目前，制约我国风力发电大规模可持续发展的重要因素之一就是没有真正摸清风机轮毂高度的潜在的、可开发的风能资源分布，为制定风电发展规划提供科学依据。在国内外现有的风能资源评估的技术手段和实践经验基础上，将数值模拟技术应用于风能资源评估是一个行之有效的方法。从基础理论上讲，建立在对边界层大气动力和热力运动的数学物理描述基础上的数值模拟方法要优于仅仅依赖气象站观测数据的空间插值方法；从实际应用上来看，数值模拟方法可以得到较高分辨率的风能资源空间分布，可以更精确地确定可开发风能资源的面积和风机轮毂高度的可开发风能储量，更好地为风电开发的中长期规划和风电场建设提供科学依据。
　　 本文首先通过引进的加拿大气象局的动力-统计相结合的，基于中尺度气象模式和大尺度气候背景场分类方法的风能资源评估数值模式系统WEST(WindEnergy Simulation Toolkit)，在通过对长期气候资料中一些重要要素的统计分型基础上，建立大尺度气候背景场，再利用高分辨率地形资料和土地利用资料，采用中尺度气象模式模拟在大尺度气候背景场条件下，由地形的驱动作用而产生的区域风能资源分布状况。通过不同的气候条件、不同地形和下垫面类型、不同分辨率的敏感性试验，验证风能资源数值模拟系统对于我国复杂多样地形地貌条件下的模拟性能。并在此基础上，完成中国陆地及近海区域水平分辨率5公里，低空垂直分辨率10米的高分辨率风能资源图谱的模拟和检验。根据模拟结果完成了全国50米高度风能资源数值区划。同时选取风能资源丰富的内蒙古中部地区作为研究对象，利用高分辨率数值模拟结果，结合参考台站观测资料以及测风塔资料，以地理信息系统(GIS)为平台，对该地区的风能资源进行了综合分析评价。总结本文，我们取得了以下主要结论：
　　 (1)通过引进的加拿大气象局的动力-统计相结合的、基于中尺度气象模式和大尺度气候背景场分类方法的风能资源评估数值模式系统WEST(WindEnergy Simulation Toolkit)。分析比较了风能资源数值模拟系统通过对长期气候资料中一些重要要素的统计分型，在建立大尺度气候背景场基础上，如何利用高分辨率地形资料和土地利用资料，采用中尺度气象模式模拟在大尺度气候背景场条件下由地形的驱动作用而产生的区域风能资源分布状况的基本原理和方法。
　　 (2)本文分别在沿海地形地区、平原平坦地形地区、山地丘陵地形地区、高原地形地区、特殊地形地区等不同地形和下垫面类型、气候条件下，进行了不同分辨率的敏感性试验，并通过与各种观测资料的对比分析，证明了风能资源数值模拟系统能较好地模拟区域内风能资源的分布状况，能较为真实的反映区域内风能资源的优劣分布趋势。说明了模拟系统在沿海地区、平坦地形地区、山地丘陵地形地区模拟结果比较准确，而在高原地区进行风能资源评估中应配合台站、铁塔观测资料对模拟结果进行订正，才可以获得较准确的区域风能资源分布。同时也表明，风能资源数值模拟系统可以较好地模拟出近海风能资源的分布，弥补海上观测资料的不足，为开发近海风能资源提供科学依据。更进一步的，对于气象站点稀少的地区，通过数值模拟方法可以发现过去用气象站资料没有发现的风能资源。
　　 (3)利用风能资源数值模拟系统，对多年NECP/NCAR再分析资料进行了气候背景场分类。通过中尺度数值模拟，并对模拟结果进行统计分析，最终模拟完成了中国陆地及近海区域水平分辨率5公里，低空垂直分辨率10米的高分辨率风能资源数值模拟图谱。并利用观测资料与模拟结果进行了对比分析，证明了得到的风能资源数值模拟图谱较好地反映了我国风能资源的分布状况，较为真实的刻画了我国风能资源的优劣分布趋势。
　　 (4)以全国高分辨率风能资源数值模拟结果为基础数据，综合分析了我国风能资源的自然状况和开发利用技术的发展，以及国内风电场选址、建设的实际操作需要。提出50米高度风能资源区划具体标准。并根据这一标准，完成了全国50米高度风能资源数值区划，给出了我国风机轮毂高度风能资源极丰富、丰富、较丰富、一般和贫乏区域的地理分布。区划结果表明我国风能资源极丰富区主要包括内蒙古、甘肃北部、新疆北部、东南沿海及其附近岛屿，这些区域可作为我国未来大规模发展风力发电的主要区域。
　　 (5)选取内蒙中部地区作为风能资源精细化评估的研究对象，利用数值模拟结果，对该地区进行了大型风电场选址风能资源精细化评估，并结合地理信息系统(GIS)和气象台站观测资料、测风塔观测资料，对该地区的风能资源进行了综合分析评价，获得了区域内风能资源的分布趋势和资源储量，实践检验了数值模拟结果结合GIS技术在风能资源精细化评估中的应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2国外风能资源评估技术方法概况

1.3 中国风能资源评估概况

1.4本文的研究内容

1.5本文的创新之处

参考文献

第二章风能资源数值模拟系统

2.1气候背景场分类模块

2.2中尺度模拟模块

2.3统计计算模块

2.4 小结

参考文献

第三章数值模拟系统在风能资源丰富区域的检验

3.1江苏沿海地形地区的模拟试验

3.2 内蒙古平坦地形地区的模拟试验

3.3辽宁山地丘陵地形地区的模拟试验

3.4青海高原地形地区的模拟

3.5新疆维吾尔自治区的模拟试验

3.6 小结

参考文献

第四章中国风能资源图谱的数值模拟

4.1 中国高分辨率风能资源图谱

4.2数值模拟结果检验

4.3 小结

参考文献

第五章 中国风能资源数值模拟区划

5.1 已开展的中国风能资源区划工作

5.2利用数值模拟结果进行的风能资源区划

5.3 小结

参考文献

第六章数值模拟结合GIS在区域风能资源精细化评估中的应用

6.1 区域风况概述

6.2数值模拟结果及其检验

6.3利用数值模拟结果结合GIS进行风能资源评估

6.4区域风能资源综合评价

6.5小结

参考文献

第七章总结与讨论

7.1 论文的主要研究结论

7.2有待进一步研究的问题

附录

致谢