任務三　海上風資源的測量與評估

任務目標：

1.掌握影響海上風資源評估的相關因素。

2.掌握海上風資源的測量數據處理與測風設備的建立。

3.海上風資源評估流程和產能預測分析。

隨著陸上風電的逐步發展成熟，待開發的陸上風能資源不斷減少，此時可開發風能資源蘊藏量更為豐富、開發前景更為廣闊的海上風電開發也吸引了世界的目光，相關各項開發工作逐步開展，現在海上風電成為未來風電開發的主要方向。我國近海豐富的風力資源、地廣人稀的海岸灘涂地帶和島嶼，以及東南地區繁榮的電力市場，為大規模的海上風電開發提供了自然的有利條件。建設海上大型風力發電場，前期要做好海上區域風能資源的測量、評估及產能預測。在評估過程中需考慮很多方面，包括海上風資源的測量手段、測量布局、測量設備、臺風致損等，通過綜合分析，確定海上風資源區域等級，決定海上風電場建設項目的經濟可行性。

國家能源局于2009年4月發布了《海上風電場工程規劃工作大綱》（國能新能〔2009〕130號），提出以資源定規劃、以規劃定項目的原則，要求對沿海地區風能資源進行全面分析，初步提出具備風能開發價值的灘涂風電場、近海風電場范圍及可裝機容量。國家能源局分別于2010年1月和2011年7月發布了《海上風電開發建設管理暫行辦法》和《海上風電開發建設管理暫行辦法實施細則》，對海上風電場工程項目規劃、前期工作、開發權、核準等建設程序進行了規范，初步形成我國完整的海上風電前期工作技術標準管理體系。

一、海上風電發展歷程及現狀

1.世界海上風電發展

海上風電起始于歐洲，經過幾十年的發展，目前已經在世界各地獲得了蓬勃發展。縱觀其發展歷程，大致可將其分為以下四個階段：

（1）1977—1988年，國家級海上風能資源潛力和相關技術的研究，論證建設海上風電場的可能性。

（2）1990—1998年，歐洲范圍內海上風能潛力評估，一些擁有中型風力機的近海風電場相繼建成。

（3）1999—2005年，大型海上風電示范工程的建設和大型海上風力發電機組技術開發。

（4）2005年以后，大型海上風電場的規模化發展時期。

目前世界海上風電還是主要集中在歐洲，其裝機容量占世界總裝機量的90%。1991年，丹麥建成了世界上第一座海上風電場，但是其后10年僅完成了31.45MW的海上風電裝機容量。2000—2008年，隨著海上風機整機技術及風電場建設技術的逐步發展成熟，歐洲海上風電迅速發展，其裝機容量年復合增長率達到37.1%，總裝機容量達到1470MW。2008年和2009年更是連續兩年海上風電新增容量超過了50萬kW，兩年的安裝量超過了過去累計裝機容量的總和。從海上風電累計市場份額看，英國、丹麥保持領先地位，分別占世界海上風電份額的44%和30%，2009年新建成的海上風電集中在英國（28.3萬kW）、丹麥（23萬kW）、瑞典和德國（均為3萬kW）以及挪威（2300kW）。同時2010年5月，德國第一座深海風電場建成投產，裝機容量6萬kW，距離海岸線50km，成為距離陸地最遠的海上風電場。截至2010年年底，歐洲海上風電并網容量已經達到2964MW，而根據歐洲風能協會的預計：到2011年將新增海上風電并網容量1000～ 1500MW，2015年海上風電裝機容量將達到8000萬kW。

2.我國海上風電發展

我國近海風能資源十分豐富，據中國氣象局風能資源詳查初步成果，我國5～25m水深線以內近海區域、海平面以上50m高度風電可裝機容量約2億kW，具備巨大的海上風電開發潛能。

我國海上風電開發始于2008年，目前處于起步階段，但是發展很快，正在迎頭趕超世界先進國家。上海東海大橋風電場項目是我國自行設計、建造的第一個國家海上風電示范項目，采用華銳風電自主研發的34臺3MW風電機組，總裝機容量10萬kW，已于2010年順利并網發電。2010年5月，國家啟動了第一批100萬kW海上風電場特許權項目招標，分別為濱海、射陽、東臺、大豐四個海上風電項目。第二批200萬kW海上風電場特許權招標項目也于2011年10月舉行。與此同時，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了各自的海上風電項目規劃。

二、海上風電的優勢

海上風電場分為灘涂、近海風電場以及深海風電場。灘涂風電場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水深海域開發的風電場；近海風電場指理論最低潮位以下5～50m水深海域開發的風電場；深海風電場指在大于理論最低潮位以下50m水深的海域開發的風電場。

由于海洋自身特殊的地理氣象環境，相對于陸上風電，發展海上風電具有以下優勢：

（1）海上風力資源大大高于陸上，這已經被建成的海上風場所證實，離岸10km的海上風速通常比沿岸陸上高約25%。

（2）海上風湍流強度小，具有穩定的主導風向，機組承受的疲勞負荷較低，使得風機壽命更長。

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

（4）海上風電受噪聲、景觀影響、鳥類影響、電磁波干擾等問題的限制較少。

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

（6）海上風能的開發利用不會造成大氣污染和產生任何有害物質，可減少溫室效應氣體的排放，環保價值可觀。

三、海上風資源數據測量

海上風資源數據測量是海上風資源評估的基礎，風資源數據質量的優劣直接影響著風資源評估結果的準確性，并最終影響風電開發的經濟效益。在《中國海上風電及陸上大型風電基地面臨的挑戰：實施指南》（該書是世界銀行和中國國家能源局共同領導開展的“中國開發海上風電和陸上大型風電基地戰略研究”項目的研究成果）一書中，GH公司提出海上風資源測量的重要性，指出目前中國大型風電場開發還沒有做過充分的測風，認為不好的風資源評估往往會造成嚴重的發電量損失，并舉例說明：一個2MW風機的成本大約相當于100～200個測風塔，若一個3.8GW風電基地發電量減少10%，就相當于每年損失了1500個測風塔。

海上風資源測量可以采用多種不同方式，目前我國海上風資源數據主要來源于沿岸氣象站觀測、海洋船舶氣象觀測、石油平臺氣象觀測、衛星遙感觀測、海上測風塔測量等。其中沿岸陸地氣象站遠離海域，難以精確代表海域風資源狀況，會導致較大的風資源分析誤差；石油平臺觀測為定點、定時、連續觀測，且覆蓋區域較小；船舶觀測直接來自于海上觀測，歷史資料時間長，但是觀測點不均勻，多集中在航線附近，而且觀測次數有限；衛星遙感觀測是目前發展起來的一種新技術，我國尚缺乏這方面的技術及數據。海上測風塔測量最直接最有效，也最能代表風電場所在海域的風資源狀況，但是測量時間較短，不具有典型代表性。因此，在實際海上風資源評估過程中，通常會采用多種海洋風資源觀測數據，通過數值模擬、MCP方法等分析手段，進行綜合分析評估。

四、海上風資源評估

風能資源評估是開發風電的前提，是進行風電場選址、風機選型、機位布局、發電量估算和經濟概算的基礎。風資源評估的準確性直接決定著風電開發經濟效益的好壞，這一點在投資風險大的海上風電開發中表現得尤為突出。據統計，離岸10km的海上風速通常比沿岸陸上高約25%，則最終發電量約大70%，這樣風資源評估的微小誤差將會放大成較大發電量誤差，最終導致風電開發經濟效益的巨大損失。

（一）海上風資源評估的特點

陸上風資源評估技術已經十分成熟，各國都已制定了有關的國家標準，海上風資源評估方法與陸上風資源評估方法具有較大的相似性，如風數據整理及校對、不合理數據篩選、數據訂正等。但是由于海上風資源的獨有特點，因此在進行海上風資源評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）海洋氣候環境對風電機組維護和可利用率的影響。

（3）氣溫和水溫對近海風速的影響范圍以及尾流作用距離的影響。

（4）潮位變化對風速垂直分布的影響。

（5）晝夜海風的變化規律。

目前，在海洋風資源評估的研究方面，歐洲風電技術先進國家如丹麥、德國、英國等走在前列，并取得了很大進展。進行過多年觀測、分析和數值模擬，初步建立起了海上風資源評估模型如海岸不連續模型（coastal discontinuity model，CDM）等多個風機尾流模型，揭示了一些海上風況所特有的規律和現象，如海岸對海上風資源分布的影響方式、潮汐對海上風速變化的影響、晝夜海風的變化規律等。這對我國的海上風資源評估具有重大的借鑒與學習價值。

（二）海上風資源評估方法

根據風資源評估在海上風電場建設不同時期其服務對象、目的作用及使用方法的不同，可以將其分為宏觀風資源評估和微觀風資源評估兩個階段。

1.宏觀風資源評估

宏觀風資源評估處于海上風電開發規劃階段，其應用對象主要是政府和管理部門，風資源評估結果是國家宏觀決策、行業發展和開發規劃的重要科學依據。宏觀風資源評估方法主要有以下幾種：

（1）根據海上氣象實測資料（如船舶氣象觀測、石油平臺氣象觀測、浮標、島嶼氣象站觀測以及科學考察觀測），通過數據統計分析方法獲得整個海域的風資源分布狀況及風資源儲量。

（2）借助計算機軟件分析系統，利用中尺度數值模式進行高分辨率的模擬計算，獲得整個海域的風資源分布狀況及風資源儲量。

（3）利用衛星遙感資料［星載無源微波（passive microwave）遙感器、高度計（altimeter）、電子散射儀（scatterometer）和合成孔徑雷達（SAR）］，通過統計分析獲得整個海域的風資源分布狀況及風資源儲量。

2.微觀風資源評估

微觀風資源評估處于海上風電場開發可行性研究階段，其應用對象主要是風電開發管理和審批部門、風電開發商，其分析結果直接應用于風電場風機布局、風機選型、發電量估計和經濟概算。微觀風資源評估方法主要是根據海上風電場的實測風資源數據，采用微尺度數值模擬軟件（如WAsP、Wind Farmer、Wind PRO等）進行高分辨率模擬計算，分析風電場區域的風況分布，繪制風圖譜，進行風機選型、風機排布、發電量計算等微觀選址操作。

（三）海上風資源評估

風流動特性對風能產業非常重要，應注意到不同時間尺度下風的變化和對風電場不同的影響。必須要考慮的尺度變化有幾秒鐘內（湍流）、幾分鐘內、日、月、季節（自然變化）、年（自然變化）和幾十年甚至幾百年（極端情況）。

1.常規數據組

風電場早期開發階段，某個站點或區域進行風資源評估的首要步驟之一是調查合適的數據組，從氣象站搜集風速數據信息來預報天氣。但是大多數氣象數據是在標準10m高度下測量的，這是由世界氣象組織（WMO）所規定的。還有不同用途的其他數據源，如為保證空中交通安全的機場測量數據、港口測量數據或保證海航航運安全浮標測量數據和海上石油或天然氣平臺的測量數據，每個數據組的質量均要得到驗證。這包括數據歷史信息和其他元數據（例如，儀器規格、儀器支架、數據采集協議和觀測高度）。

2.公共測風塔（政府擁有）

一些國家的政府機構通過補貼和資助氣象測風桿來加速海上風電行業的發展。科學界助推風能知識領域的發展，在其幫助下，測量質量通常很高。然而，這些措施是罕見的，大部分海上測風塔是私人擁有的，其數據是保密的。測風塔為某一地區提供一般性服務，因而這些測風塔事實上不可能恰好位于某個計劃中的風電場中。

3.衛星數據

近年來，衛星圖像作為另一種海上風速地圖得到廣泛應用。衛星技術也存在一些問題。例如，基于對圖像解釋得到的“風速測量”是一種間接計算方法，即使相對精確度（大面積梯度）確實具有說明性，其精確度也還是有限的。某些地區時間和地點的覆蓋范圍取決于實際的衛星軌跡，所以可解釋為長期平均值。然而，人們致力于基于衛星系統的信息，期望其對風能的利用和開發有所幫助。

4.網格數據組

氣象機構的常規氣象預報使用大型模型得到所謂的數值天氣預報（NWP）。雖然最初創建這些模型并不是完全為了用于氣象研究，但它們確實能夠創造時間序列，得到網格點的氣象參數，提供如風速和風向等數據。通過觀測值驗證后，可創建追報數據組。雖然數據實際上已經由模型得到，但通過與觀測值比對，其質量已得到提升。這些模型數據組能覆蓋較大面積，但同時空間分辨率很低。這種情況下，還需應用局部內插方法。該方法同樣適用于較為粗糙的垂直分辨率（風速）。

5.風能地圖

區域風速大小信息往往繪測于風能地圖，此形式確實非常吸引人。一方面，風能地圖是使用者的信息源；另一方面，它展示了測量活動和建模工作的結果。大型風能地圖（海上）已有出版，因而可輔助初期選址現場勘察。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，一個有限區域內的詳細風能地圖（例如，擬議的風場）需花費更多精力，可用于詳細的布局設計。例如，近期由中國氣象局（2011）出版的中國海上風能地圖。

6.專用氣象測風塔

取得當地風速數據組的最好方法是在現場矗立專用測風儀。儀器儀表的質量和設計方案最好盡可能地符合IEC要求，因而觀測高度應接近輪轂高度，目前可達100m（及以上）。雖然此做法益處頗多，這種氣象測風桿費用昂貴（取決于風場，特別是海水深度）。因此，決定安裝氣象桿前，項目開發人員需要良好的經營狀況。特別是在英國，一些開發商已擁有自己的測風塔，但最后，項目規劃的數據組的持續記錄時間僅限于1年或許幾年，這意味著仍然需要其他信息來源以實現對風場的長期了解。

7.新的測量技術

近些年，其他遙感儀器已應用于風能產業。聲雷達和光雷達制造商，即聲音探測和測距以及光檢測和測距的儀器制造商，因對風能產業產生極大興趣，積極調整其產品規格以適宜于風能測量的需要。即最大測量范圍縮減到200～300m，同時提高垂直分辨率。

光雷達尤其具有不錯的應用前景。

聲雷達（或光雷達）可作為專用海上風能測量工具選擇之一。最好的辦法是將儀器放在一個固定的結構上，可以是現有的（如石油或天然氣平臺）或是專門設置的。前者較為便宜（如果有的話），相比傳統的海上測風塔，后者仍相當昂貴。然而，該結構尺寸大小可能小于100m氣象測風桿。

將光雷達放置于漂浮物上（如浮標）這一方法相當經濟。由于其尺寸小、功耗低，幾家公司已開始提供此項服務。考慮到浮標在各個方向連續移動，測量質量需得到進一步驗證。此外，通達性是有限和/或耗費多的，因此該系統應盡可能多地具有獨立操作能力，需要較高的技術可靠度。

一般而言，光雷達首先面對的挑戰是作為一般陸上測量工具，接下來作為海上（浮動裝置）測量工具。

（四）產能預測

風電場風資源評估擬定后，下一步是計算擬定風電場的產值。優化過程中風力發電場的特性（風電機組的數量和類型、輪轂高度、位置）均可改變，但需了解預期收益（或者年發電量，AEP）。本書介紹了一般優化計算方法，此方法也適用于與海上具體情況不同的陸上風電場。

1.普適方法

圖1-3-1展示了如何從風速信息及其他輸入量得到最終結果，即風場年發電量的一般計算方法。

風速，地形和風電機組規格是輸入信息。風速和地形信息送入氣象模型來模擬當地廣義風氣候。風電機組規格和風氣候信息輸入到出力模型得到所需的結果。

2.風速

風資源評估結果為產能預測提供基礎，不僅僅需要平均風速。雖然普遍認為風速是評判某個地區風能資源好壞的第一指標，但其他特性也不容忽略。首先是風玫瑰圖，風頻率是風向的函數，影響風電場的布局優化；第二是頻率分布，即每個風速區間的發生頻率（圖1-3-2）。

3.地形

風的重要特性之一是其值隨高度變化，即風廓線。風廓線的形狀由兩點決定：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械摩擦效應；二是溫度廓線的熱效應，熱效應造成大氣有穩定、不穩定或者中性三種狀況。根據定義，中性大氣是指大氣中的熱效應相比機械效應（通常是在高風速下）而言可以忽略不計的情況。

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，其表現形式可以是粗糙等級或者是粗糙度（單位：m）。事實上，可將海平面看成一個廣闊海域，因而其表面粗糙度是由波浪決定的，粗糙度隨著風速的增加而增加。然而，大多數情況下，粗糙度均以平均值計算（0.0002m）。

相比于陸上風電場，海上地形（高度）是不相關的。某些情況下，障礙物可能影響風電機組附近風的流動。同樣，對海上風電場而言，粗糙度不太重要，因而在此不做過多詳細說明。

4.氣象模型

風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域的科學研究結果。普遍應用的方法是由丹麥科技大學風能中心（之前是Riso實驗室）開發的WAsP軟件，需要計算的量包括水平和垂直變換值。

最終要考慮的是時間特性。例如，若有一年風速測量值作為基本信息，必須轉換為長期特性值（10～20年），因為長期信息才是研究重點。此外，必須注意到所有的數據集僅代表過去（按定義），而對于產業發展而言只對未來感興趣。

下面以圖1-3-3這一理論示例說明這一點。圖中給出一個風力發電場10年期間月發電量序列值，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，對歐洲西北地區較為典型，換句話說，風資源最好月份的發電量是風資源最差月份的5倍。類似地，相同數據平均到1年的結果繪制于圖1-3-3。

從圖1-3-4中可以很清晰地看到各年份風速有很大不同。通常做法是采取測量-關聯-預測（measurement correlate predict，MCP）的計算方法。

此方法為：一年現場測量值與至少10年的長期參考數據組，例如，從鄰近的氣象站得到的數據做相關性分析，若有足夠的相關性（有不同計算方法），一年測量值可以修正為長期值，參看示例圖（圖1-3-3和圖1-3-4），如果一年有至少85%的值，可考慮計算出100%的水平。

5.風氣候

風氣候提供的最終結果至少包括長期平均風速，風玫瑰圖和風速頻率分布。理想條件下，還包括湍流值（強度），并可推出極端值。這些參數在制造商評估風電機組是否符合IEC要求時十分重要。

6.技術

風電機組信息包括風電機組的技術規格，如輪轂高度、現場機位等基本信息。最重要的是功率曲線（或者是P-v曲線），即給出風速與功率輸出間的函數關系；其次是C-t曲線（推力曲線），即考慮風輪前后風速值的變化。

7.年發電量

正在開發的項目需要年發電量的計算結果（AEP），也可理解為輸送到電網的長期凈年平均發電量。結合實際電能的價格，年發電量是項目收入的主要推動因素。確定風氣候后，年發電量通過以下步驟計算得到：

（1）理想發電量。理想發電量（該術語沒有被廣泛使用）指的是僅考慮風電機組P-v曲線的電力生產值。其結果相當理論化（這是其稱為理想發電量的原因），這意味著生產過程中沒有絲毫損失，當然也沒有尾流損失。因而此結果即是將一個風電場假設為一臺風力發電機。

（2）總發電量。總發電量包括（計算的）尾流損失。因而該結果考慮到了風電場不同風電機組的具體機位，風氣候特性（風玫瑰圖）和風電機組的技術參數（C-t曲線）。視具體情況而定，總的尾流損失是相當多的，尤其是海上風電場。10%～20%的尾流損失是相當常見的。目前已有大量關于如何改善尾流模型的研究，因為其是不確定性的主要來源之一，特別針對于海上可用測量數據較少的情況。

（3）凈發電量。凈發電量包括所有損失因素的計算和估計值。因為有些因素不適于所有情況，對于具體場址，都必須檢查各種可能的影響因素。

8.不確定性分析

通常，最終年發電量的不確定性結果邏輯上是基于普適方法。不確定性可歸因于數據和模型步驟。測量工具不可能有無限精度，模型是現實的簡化，當然有其局限性。對于海上風電項目，有關項目選址和測量持續時間、測量儀器位置的選取均是考查重點。首先計算有一定不確定性的長期平均風速，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出力的影響（以MW·h/a表示）；然后將風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。

任務回顧與思考

1.試述海上風資源評估的特點。

2.試述海上風資源評估的方法與流程。

3.試述海上風資源產能預測。

4.試述海上風電場年發電量的計算流程。