CN108649611B - 一种全球大型风电基地开发潜力评估方法 - Google Patents

一种全球大型风电基地开发潜力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，在全面分析全球风能资源数据的基础上，综合考虑多种因素，建立风电基地开发潜力评估分析模型，提出大型风电基地开发潜力的评估方法，定量研究全球各大风电基地开发潜力，准确评估全球大型风电基地开发潜力，本发明为准确刻画全球不同地域大型风电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法，为加快全球能源互联网构建提供有力支撑。

Description

一种全球大型风电基地开发潜力评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统分析领域，尤其是涉及一种全球大型风电基地开发潜力评估方法。
背景技术
由于全球气候变暖，引发了人们对二氧化碳排放的思考，火电发展正面临着来自各国环保部门的碳减排压力，各国都在努力减少或者降低火电厂的规模，转而寻求其他形式可再生能源，欧盟提出到2020年风电要占能源消耗量的20％。风电是一类清洁、绿色的可再生能源，也是可再生能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，加快发展风电已成为各国推动能源结构转型、应对气候和环境问题的重要途径。
近年来，各国都积极倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。大型风电基地是全球能源互联网的主要能源来源，系统、准确掌握全球大型风电基地资源的总储量及其开发潜力，将有可能科学地开展全球风电基地开发布局，从而对全球能源互联网的形态和范围起到决定性作用，同时为全球能源互联网的研究和构建提供基础信息支撑。
目前，国内该领域研究机构主要包括中国气象局风能太阳能评估中心、兰州大学、中国电科院、水规院等，这些研究机构已经拥有国内资源特性研究的实验室，开发了一整套完备的数值天气模拟模型和方法工具，具备对全国风能资源总储量的能力，但对全球大型风电基地开发潜力的研究能力有限。国外例如美国NREL、丹麦Riso国家实验室等，在该领域的研究起步较早，数值天气模拟研究实力较强，开展了北美大平原、美国西部地区、北欧等特定地区的风能资源评估研究，取得相关研究成果，但还没有全面掌握全球不同地域风电基地开发潜力研究。
为此，本发明提出了一种全球大型风电基地开发潜力的评估方法，在全面掌握分析全球风能资源数据的基础上，提出大型风电机开发潜力的评估方法，建立风电基地开发潜力评估分析模型，定量研究全球各大风电基地开发潜力。研究成果将为准确刻画全球不同地域大型风电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法，为加快全球能源互联网构建提供有力支撑。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提出了一种全球大型风电基地开发潜力的评估方法，在全面掌握分析全球风能资源数据的基础上，建立风电基地开发潜力评估分析模型，定量研究全球各大风电基地开发潜力，为准确刻画全球不同地域大型风电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，包括下述步骤：
(1)收集整理全球大型风电基地资源数据；
(2)建立大型风电基地开发潜力评估模型；
(3)选取需要评估开发潜力的大型风电基地，设置评估区域内环境参数，计算理论可开发面积；
(4)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取风电基地的理论开发潜力；
(5)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的技术开发潜力、风电年发电量及风电年发电利用小时数，完成大型风电基地开发潜力评估。
其中，所述步骤(1)中的全球大型风电基地资源数据为全球各地风能资源数据，包括涵盖全球范围内分辨率为10×10公里网格的多年风能资源数据，包括每个网格内每小时的风速、风向、温度、气压。
其中，所述大型风电基地开发潜力评估模型包括风功率密度计算模型、风能资源理论开发潜力计算模型、风能资源技术开发潜力计算模型、风电年发电量计算模型及风电年发电利用小时数计算模型。
其中，所述步骤(3)中评估区域内环境参数包括地理高程、地形坡度及风功率密度。
其中，所述步骤(4)中利用建立的大型风电基地风能资源开发潜力评估模型计算所选取风电基地的风能资源理论开发潜力的步骤为：
1)计算风功率密度，评估区域内设定时段的平均风功率密度表达式为：
Figure BDA0001693362180000031
Dwp为平均风功率密度；T为时段记录数；ρ为空气密度；
Figure BDA0001693362180000032
为第t时段的风速值的立方；
根据设定时段的平均风功率密度计算结果，得出评估区域内全年平均风功率密度；
2)计算风能资源理论开发潜力，即风电理论开发潜力，表达式为：
Figure BDA0001693362180000033
I为评估区域内各个风功率密度包含地区的数量；Etheories为评估区域内风电理论开发潜力；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。
优选的，所述步骤1)中计算风功率密度的空气密度ρ表达式为：
Figure BDA0001693362180000034
P为年平均大气压力；R为气体常数；T为年平均空气开氏温标绝对温度。
其中，所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风能资源技术开发潜力，即风电技术可开发量，表达式为：
Figure BDA0001693362180000035
I为评估区域内各个风功率密度包含地区的数量；Etech为评估区域内风电技术可开发量；Ni为i网格内不可开发面积；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。
其中，所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风电年发电量的表达式为：
Figure BDA0001693362180000041
ww为评估区域内风电年发电量；Etech,i为评估区域内第i个网格的风电技术可开发量；f(t)为评估区域内第i个网格第t时段风电出力系数，通过典型风机功率曲线和t时段对应的风速计算。
其中，所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风电年发电利用小时数的表达式为：
Figure BDA0001693362180000042
ww为评估区域内风电年发电量；Ew为评估区域内年风电技术开发量；Hw为评估区域内风电年发电利用小时数。
优选的，所述不可开发地区包括山川、河流、胡泊、地质灾害地区、自然保护区。
有益效果
本发明提供的一种全球大型风电基地开发潜力的评估方法，综合考虑多种因素，建立大型风电基地开发潜力评估模型，准确定量评估全球大型风电基地开发潜力，为准确刻画全球不同地域大型风电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法，为科学制定全球大型风电基地开发规模和布局、为全球能源互联网构建提供有力支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种全球大型风电基地开发潜力的评估方法示意图；
图2为HW 77/1500kW风机功率曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，如图1所示，包括下述步骤：
(1)收集整理全球大型风电基地资源数据；
(2)建立大型风电基地开发潜力评估模型；
(3)选取需要评估开发潜力的大型风电基地，设置评估区域内环境参数，计算理论可开发面积；
(4)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取风电基地的理论开发潜力；
(5)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的技术开发潜力、风电年发电量及风电年发电利用小时数，完成大型风电基地开发潜力评估。
下面，对本发明实施例提供的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法中各个部分步骤进行详细举例说明：
1、收集整理全球大型风电基地资源数据
全球大型风电基地资源数据为全球各地风能资源数据，与全球风能资源数据知名公司合作，获取涵盖全球范围内分辨率为10×10公里网格的10年风能资源数据，包括每个网格内每小时的风速、风向、温度、气压等参数，如表1所示。
表1风能资源数据示意
Figure BDA0001693362180000051
Figure BDA0001693362180000061
2、建立大型风电基地开发潜力评估模型
大型风电基地开发潜力评估模型的建立包括风功率密度计算模型、风能资源理论开发潜力计算模型、风能资源技术开发潜力计算模型、风电年发电量计算模型及风电年发电利用小时数计算模型，分别为：
1)风功率密度计算模型
计算风功率密度，评估区域内设定时段的平均风功率密度表达式为：
Figure BDA0001693362180000062
其中，Dwp为平均风功率密度，W/m2；T为时段记录数；ρ为空气密度，kg/m3；
Figure BDA0001693362180000065
为第t时段的风速(m/s)值的立方；
如果风场测风有压力和温度的记录，则空气密度按下式计算：
Figure BDA0001693362180000063
其中，P为年平均大气压力，Pa；R为气体常数(287J/kg·K)；T为年平均空气开氏温标绝对温度(℃+273)；
根据设定时段的平均风功率密度计算结果，得出评估区域内全年平均风功率密度。
2)风能资源理论开发潜力计算模型
根据风功率密度计算结果，风能资源理论开发潜力计算模型，即风电理论开发潜力计算模型表达式为：
Figure BDA0001693362180000064
其中，I为各个风功率密度包含地区的数量；Etheories为风电理论开发潜力；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。
3)风能资源技术开发潜力计算模型
计算评估区域内不可开发地区面积，剔除不可开发地区，得到风能资源技术开发潜力计算模型，即风电技术可开发量计算模型，表达式为：
Figure BDA0001693362180000071
其中，I为各个风功率密度包含地区的数量；Etech为风电技术可开发量；Ni为i网格内不可开发面积；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。
其中，所述不可开发地区包括山川、河流、胡泊、地质灾害地区、自然保护区等。
4)风电年发电量计算模型
根据风能资源技术可开发量和评估区域内风电出力系数计算风电年发电量，表达式为：
Figure BDA0001693362180000072
其中，ww为风电年发电量；Etech,i为第i个网格风电技术开发量；f(t)为第i个网格第t时段风电出力系数，通过典型风机功率曲线和t时段对应的风速计算，以评估区域内安装一台1500kw风机为例，f(t)＝t时段平均风速对应的风机输出功率/1500kW，如图2所示，为选定的HW77/1500kW风机功率曲线。
5)风电年发电利用小时数计算模型
计算风电年发电利用小时数的方法为：风电年总发电量除以年总风电技术开发量，表达式为：
Figure BDA0001693362180000073
ww为内风电年发电量；Ew为年风电技术开发量；Hw为风电年发电利用小时数。
3、选取需要评估开发潜力的大型风电基地，设置评估区域内环境参数，计算理论可开发面积
以选择风能资源丰富的美国中部地区为例，选取三个风电基地，设置环境参数包括地理高程、地形坡度及风功率密度等，计算理论可开发面积：
风电基地1：总面积45818平方公里，设置风功率密度大于100瓦/平方米，高程小于2000米，坡度小于15％，那么理论上可开发的面积为38945平方公里；
风电基地2：总面积24988平方公里，设置风功率密度大于100瓦/平方米，高程小于2000米，坡度小于15％，那么理论上可开发的面积为22489平方公里；
风电基地3：总面积17758平方公里，设置风功率密度大于100瓦/平方米，高程小于2000米，坡度小于15％，那么理论上可开发的面积为16870平方公里。
4、利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取风电基地的风能资源理论开发潜力
利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取的美国中部三个风电基地的风能资源理论开发潜力，计算结果如表2：
表2美国中部三个风电基地风能资源理论开发潜力计算结果
Figure BDA0001693362180000081
5、利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风能资源技术开发潜力、风电年发电量及风电年发电利用小时数，完成大型风电基地开发潜力评估
辨识三个基地内不可开发地区，计算评估区域内不可开发地区面积，根据GIS地图信息剔除不可开发地区，不可开发地区包括山川、河流、胡泊、地质灾害地区、自然保护区等。
风电基地1：不可开发地区主要包括自然保护区、草原保护区、河流等，计算不可开发区面积约为27262平方公里，因此技术可开发的面积约为11684平方公里；
风电基地2：不可开发地区主要包括草原保护区、河流等，计算不可开发区面积约为8996平方公里，因此技术可开发的面积约为13493平方公里；
风电基地3：不可开发地区主要包括草原保护区、河流等，计算不可开发区面积约为9278平方公里，因此技术可开发的面积约为7592平方公里。
根据技术可开发的面积，进一步计算风电基地风能资源技术可开发量、发电量和年发电小时数，案例结果如表3所示：
表3美国中部三个风电基地风能资源技术开发潜力计算结果
Figure BDA0001693362180000091
至此，三个风电基地风能资源技术开发潜力计算完毕，所有评估工作结束，得出评估结论，美国中部三个风电基地技术开发潜力分别达到4155、3115、2150万千瓦，已经远超出目前开发规模，这些地区风电基地开发潜力大，未来适合作为全球能源互联网重要源端电源之一。
本发明提供的全球大型风电基地开发潜力的评估方法，在全面分析全球风能资源数据的基础上，综合考虑多种因素，建立风电基地开发潜力评估分析模型，提出大型风电基地开发潜力的评估方法，定量研究全球各大风电基地开发潜力，准确评估全球大型风电基地开发潜力，本发明为准确刻画全球不同地域大型风电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法，为加快全球能源互联网构建提供有力支撑。
本说明书中实施例采用递进的方式描述，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述评估方法包括下述步骤：
(1)收集整理全球大型风电基地资源数据；
(2)建立大型风电基地开发潜力评估模型；
(3)选取需要评估开发潜力的大型风电基地，设置评估区域内环境参数，计算理论可开发面积；
(4)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取风电基地的理论开发潜力；
(5)利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的技术开发潜力、风电年发电量及风电年发电利用小时数，完成大型风电基地开发潜力评估；
所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风能资源技术开发潜力，即风电技术可开发量，表达式为：
Figure FDA0002482423940000011
其中，I为评估区域内各个风功率密度包含地区的数量；Etech为评估区域内风电技术可开发量；Ni为i网格内不可开发面积；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值；
所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风电年发电量的表达式为：
Figure FDA0002482423940000012
其中，ww为评估区域内风电年发电量；Etech,i为评估区域内第i个网格的风电技术可开发量；f(t)为评估区域内第i个网格第t时段风电出力系数，通过典型风机功率曲线和t时段对应的风速计算。
2.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述步骤(1)中的全球大型风电基地资源数据为全球各地风能资源数据，包括涵盖全球范围内分辨率为10×10公里网格的多年风能资源数据，包括每个网格内每小时的风速、风向、温度、气压。
3.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述大型风电基地开发潜力评估模型包括风功率密度计算模型、风能资源理论开发潜力计算模型、风能资源技术开发潜力计算模型、风电年发电量计算模型及风电年发电利用小时数计算模型。
4.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述步骤(3)中评估区域内环境参数包括地理高程、地形坡度及风功率密度。
5.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述步骤(4)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型计算所选取风电基地的风能资源理论开发潜力的步骤为：
1)计算风功率密度，评估区域内设定时段的平均风功率密度表达式为：
Figure FDA0002482423940000021
其中，Dwp为平均风功率密度；T为时段记录数；ρ为空气密度；
Figure FDA0002482423940000022
为第t时段的风速值的立方；
根据设定时段的平均风功率密度计算结果，得出评估区域内全年平均风功率密度；
2)计算风能资源理论开发潜力，即风电理论开发潜力，表达式为：
Figure FDA0002482423940000023
其中，I为评估区域内各个风功率密度包含地区的数量；Etheories为评估区域内风电理论开发潜力；Si为i网格内年平均风功率密度分布图中各个风功率密度等值线间面积；Pi为i网格内各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。
6.如权利要求5中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述步骤1)中计算风功率密度的空气密度ρ表达式为：
Figure FDA0002482423940000031
其中，P为年平均大气压力；R为气体常数；T为年平均空气开氏温标绝对温度。
7.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述步骤(5)中利用建立的大型风电基地开发潜力评估模型进一步计算所选取风电基地的风电年发电利用小时数的表达式为：
Figure FDA0002482423940000032
其中，ww为评估区域内风电年发电量；Ew为评估区域内年风电技术开发量；Hw为评估区域内风电年发电利用小时数。
8.如权利要求1中所述的一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，其特征在于，所述不可开发地区包括山川、河流、胡泊、地质灾害地区、自然保护区。
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基于GIS 技术的湖南风能资源精细化评估;张超，罗伯良;《湖南电力》;20110625;第31卷(第3期);11-14 *
风电场风能资源储量和技术开发量估算方法;刘志远， 彭秀芳， 冯莉黎;《中国电力》;20150605;第48卷(第6期);45-50 *
风能资源评估方法综述;靳晶新，叶林，吴丹曼，等;《电力建设》;20170415;第38卷(第4期);1-8 *

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