1.2　研究范疇

風能領域的研究范疇包括許多課題。根據歐洲風能技術平臺（TPwind，European Wind Energy Technology Platform）的劃分，界定了四個基本研究領域：風力條件、風力透平機技術、風能并網、離岸風能部署和運營［21］。

1.2.1　風力條件的研究

風力條件的研究目標是提出更多、更有效的方法鑒別有潛力開發風力資源的地區并測量該地區的風力資源情況，為建設風場提供相應的依據和參考。一般側重于平坦地勢、復雜地勢［22］和離岸型風場的研究。長遠來看，對于任何一個風場，無論它是平坦地勢、復雜地勢還是離岸型地勢，都應該將風力資源預測的不準確度控制在3%以內。風力資源的預測主要包括全年風電產能情況、影響風力機設計的風力特性以及短期和長期的風能資源情況［23］等三方面的內容。在風能預測的過程中，需要遙感技術和計算流體力學（CFD）的輔助。

具體來說，風力資源的預測可以細分為6個方面的子課題，包括復雜地勢的風力發電機選址、風場內部和風場之間的尾流效應、離岸型風場的氣象預測、極限風速的預測、地面上風力輪廓的繪制、短期風力資源的預測。

對于復雜地勢或森林地勢的風力機選址問題，目標是準確地計算風力透平上的風力載荷以及在全球任意地點安裝風力機的全生命周期的產能情況。

對于尾流效應的研究，目標是提高對風場內部和風場之間尾流的認識，并將尾流效應的基本理論運用到離岸型風場項目的規劃和經濟分析中。具體來說，一方面要增加大型風場的數據采集力度；另一方面要開發并完善仿真度更高的尾流模型，還要評估順風情況對大型風場的影響。

對于離岸型風場的氣象預測，研究重點主要有三個方面：①風力與波浪的交互作用對風力機發電的影響；②大氣氣流的穩定性；③陸地與海洋過渡區域的氣象條件對風場的影響。對離岸型風場氣象預測的深入認識，有利于提出一系列新方法進行離岸型風力機設計條件的探索、海上風力資源的評估以及短期大氣氣象變化的預測。然而，對于海上大氣模型的構建以及離岸型風場的設計，目前遇到的最大瓶頸就是海上大氣環境測量數據的欠缺。因此，海上大氣環境的測量方法和測量技術就格外重要，值得仔細研究。

對于極限風速的研究，目標是建立全球極限風速的數據庫，包括50年內極限風速的預測。如果極限風速的預測合理，統計數據的精確度有所提高，就能夠從根本上提高世界各地風力發電場的經濟性。對于高頻極限風速的深入認識將有助于估算風力透平上的機械載荷，并且優化風場中特定位置風力機的選型和設計。

對于風力輪廓的測量與研究，主要對象是地面100m以上的風力輪廓。根據傳統的表面邊界層理論，在地面上50～80m范圍內的風力輪廓已能準確測量，現在的目標是研究100m以上的風力輪廓曲線，建立地面上整體邊界層的風力輪廓模型，并研發測量方法和理論分析工具。由于風力機尺寸的不斷增大，工業界需要研究和提出新方法探索地面100m以上的風力輪廓和湍流演變。

對于風力資源的短期預測，目標是準確預測和跟蹤一到兩周內風力資源和其他氣候指標的變化狀況。風力資源的預測應該綜合利用多種數據庫和測試方法，諸如天氣預報、在線風力測量、遙感測量等。如果能將天氣預報和風力資源預測結合起來進行信息共享，就能夠有效提高天氣預報和風力資源預報的準確度。

1.2.2　風力機透平技術的研究

風力機透平技術旨在優化風力發電機系統［24］以減少風力機全生命周期的發電成本，并提高風能與其他能源的競爭力。風力發電機系統的優劣影響到很多方面，包括風力機的初期投入和運營維護成本、整體風力發電機系統的效率、風力機系統的可靠性和使用壽命等，甚至還會影響到風力發電機系統廢棄后產生的處置費用和環境影響。風力機系統比較復雜，包含了多種零部件和子系統，在設計各個零部件和子系統的時候，需要結合多個學科進行綜合考量。近年來，風力機的尺寸不斷增大、復雜性不斷增加，產生了一些新問題，也使風力機透平技術面臨的任務更加艱巨。

在此研究領域，風力機將被分別當做流體系統、機械結構、發電設備或控制系統等單獨研究。

（1）將風力機當作流體系統時，重點研究風力機輪轂和葉片上的風速分布情況。隨著風力機尺寸的不斷增大，輪轂和葉片上風速的差異不能再忽略。對于風力透平機各個位置風速分布的準確計算和測量有助于優化風力機的氣動設計過程。研究過程中不僅要建立風力機氣動性能和氣彈穩定性的數值模型，而且要運用風洞實驗進行驗證。

（2）將風力機當作機械結構時，研究目標是提高結構性能的可靠性和完整性。研究內容包括設計載荷的準確估算、風力機葉片的新材料、結構強度的驗證、風力機各部件的可靠性等。

（3）將風力機當作發電設備時，研究目標包括研發更好的電氣部件、提高風電電力品質以增強電網的穩定性等。整流器、發電機等電力器件的改善能夠有效降低風力機在使用壽命內的發電成本，并提高電網的兼容性。

（4）將風力機當作控制系統時，研究目標是保持風力機性能、載荷和使用壽命之間的平衡。為了實現三者之間的最優解，要努力開發高級控制策略、控制裝置和監控系統。

1.2.3　風能并網的研究

風能并網主要解決風力發電場與地區或國家級電網的連接問題［25］，其課題包括風電場的發電容量研究、電網規劃與運營管理以及電力系統管理［26］。

對于風電場的發電容量研究，主要包括完善高效可靠的電網系統的電力技術指令和在不影響電網穩定性的情況下增加風電在電網中的比重等。

對于電網規劃與運營的研究，目標是克服遠距離電力傳輸的瓶頸，使風電場的電能能夠順利供應給電力用戶。為了應對大規模風電場的電力波動，必須通過電力供求關系的預測和電網輸電線路的合理規劃配套相應的電網設施。由于風力發電比常規發電的功率因子低一些，相應輸電線的選型方法需要重新驗證。

對于電力系統管理，主要目的是提高現有電力系統發電容量的潛力，使電力系統的發電量更加靈活和易于調節。電力系統管理的研究，不僅涉及到電能生產管理和電能利用管理，還涉及到電能儲存的管理。由于風電在供電系統中的比重越來越大，還需要重視儲能系統的研發和管理。

1.2.4　離岸型風電部署與運營的研究

離岸型風電部署與運營的研究處于起步階段，主要內容是預測和制定離岸型風電的發展路線圖。其主要內容包括：制定離岸型風力發電的發展路線圖，界定離岸型風電發展的主要瓶頸，鑒別離岸型風力發電優先研究領域等。預計2030年，歐洲將會有10%的能源由離岸型風電場供應。相比于其他類型發電廠，離岸型風電場在經濟性上有一定競爭力。為了促進離岸型風電的發展，需要解決三大問題，即安全性、環境效應和技能培訓。

確保離岸型風電場設施的安全運營和工程技術人員的人身安全對于離岸型風電場的發展至關重要。離岸型風電場安全性的研究覆蓋了整個施工階段，包括風力發電場最初的選址階段、風力機安裝階段、正式運營階段和后期維護檢修階段。

離岸型風電環境效應的研究，主要包括兩大方面：一方面，要收集海上氣象數據，尤其是風力資源的氣象數據，確保離岸型風力發電場在投入運營之后能如期收回成本且實現盈利，這樣能降低離岸型風電場的投資風險；另一方面，要研究離岸型風電場在建成之后是否會對當地生態環境產生破壞，包括對于海洋附近鳥類、魚類繁衍生息的影響。

本項目“非常規風力機葉片翼型的氣動性能分析與CFD仿真”屬于風力透平機技術的研究范疇。