CN112347657B - 一种风能理论储量评估方法 - Google Patents

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Abstract

风能理论储量评估方法，步骤：1）选取风能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；2）指定步骤1中的目标区域的空间高度；3）获取步骤2中的目标区域空间的风速、空气密度的气象数据；4）根据步骤3中所得的气象数据，计算的目标区域的单位面积风能理论储量；5）计算的目标区域的面积；6）根据步骤3中所得的风速、空气密度的气象数据、步骤2中指定的目标区域的空间高度、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到的目标区域空间范围内的区域风能理论储量。优点：为全球风能理论储量的估算、风能政策制定的风电资源量化指标、风电场选址比选提供了定量化评估的方法，对于开发利用资源、制定政策具有重要意义。

Description

一种风能理论储量评估方法
技术领域
本发明涉及可再生能源评估技术领域，具体涉及一种风能理论储量的评估方法。
背景技术
目前，全球风能的估算存在着较大争议，有学者(Cristina L.Archer，2013；Feng,Jingxuan,2020)分析过各种文献的量值不同，其原因在于：
其一，估算的实际内容不同，即风能概念不同，主要为理论储量、技术储量、实用性储量、经济型储量(Theoretical potential,Technical potential,Practicalpotential,Economic potential)或者分为理论储量、地理限制型储量、实用型储量、经济型储量、净储量(Theoretical potential,Geographical potential,Technicalpotential,Economic potential,Net Potential)。可以看出，随着概念的细化，准确估算风能储量变得越来越难；纵观不同概念下风能储量的估算，都需要准确地估算风能理论储量(wind kinetic energy亦即Theoretical potential)。风能理论储量的计算方法目前也没有完善，有的学者认为太阳辐射是风能的主要来源，通过估算由大气圈吸收的太阳能量为175000TW，并且认为大气吸收的太阳能只有部分转换成风能，进而估算风能储量。诚然，如果没有太阳辐射能量，就几乎没有风，但是风能大小不只是太阳辐射能的简单转化，地球空间水陆区域比热容不同、地形地势不同、温度压力不同都会造成风力大小的不同，如果只是考虑太阳辐射能转化成风能是不合适的。
其二，常用的评估风能的方法是基于风的动能概念来计算的，也就是风能量(windpower capacity，)或者风能密度(wind power density，/>)，两者其实都是以风的动能为理论基础的，后一个公式是前一个公式的导出公式，也就是前一个公式除以面积后得到的。前一个公式满足的风动能的条件就是风速必须与面积是垂直的,这就造成了风能密度可以计算空间上风能密度的分布，但是用这种方法计算区域风能储量非常困难。
为此，本发明提供了一个新的风能理论储量的评估方法，可以为目标区域内限定高度空间内的风能理论储量评估提供方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种风能理论储量评估的新方法，其目的在于利用风速、空气密度数据，计算目标区域指定高度风能理论储量，利用单位面积风能理论储量分布的计算公式计算目标区域单位面积风能理论储量，结合区域风能理论储量计算公式，进行区域风能理论储量计算，并进行风能资源评估。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风能理论储量评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取风能理论储量估算的目标区域，提取所述目标区域的坐标范围；
所述目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列(或者投影后的平面直角坐标)；或者，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述；
2)指定步骤1中所述的目标区域的空间高度；
3)获取表征步骤2中所述的目标区域空间的风速、空气密度的气象数据；
所述的风速、空气密度的气象数据，为实测的、或者用数值模拟方法计算的、一个或者多个离散点的数据；
有多个离散点的风速、空气密度的气象数据时，将该目标区域剖分成小网格，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的风速、空气密度的气象数据插值到网格中心点上；
4)根据步骤3)中所得的气象数据，计算所述的目标区域的单位面积风能理论储量；
5)计算所述的目标区域的面积；
所述目标区域的面积，用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息系统，计算区域面积；
6)根据步骤3)中所得的风速、空气密度的气象数据、步骤2)中指定的目标区域的空间高度、步骤5)中所得的目标区域的面积，计算得到所述的目标区域空间范围内的区域风能理论储量。
优选的，步骤4)中，所述的单位面积风能理论储量，使用以下公式进行计算：
ED＝∫(1/2ρV2)dz；
式中：ED是单位面积风能理论储量，V是风速，ρ是空气密度，dz垂向空间的高度。
优选的，步骤6)中，所述的根据区域风能理论储量计算公式，计算所述的目标区域空间范围内的区域风能理论储量。
所述的区域风能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz；
式中：ER是区域风能理论储量，V是随高度变化的风速；ρ是空气密度；dz垂向空间的步长，依据气象数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取风能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上气象数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)提供了一种新的单位面积风能理论储量分布的计算方法；2)提供了一种新的区域风能理论储量估算的方法；3)为全球风能理论储量的估算以及地区或国家的风能政策制定的风电资源量化指标、及风电场址的比选提供了一种定量化评估的方法；4)本发明具有良好的推广应用前景，对于开发利用风能资源、制定风能政策具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的风能理论储量评估方法的基本流程图；
图2为本发明实施例的全球风能理论储量随时间变化过程图；
图3为本发明实施例的全球单位面积风能理论储量分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例一
如图1、2、3所示，一种风能理论储量评估方法，包括以下步骤：
1)选取风能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；
目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列(或者投影后的平面直角坐标)。
本实施例中，选取全球范围作为目标区域，具体的目标区域坐标范围为，按顺序排列的范围坐标点的经度、纬度的数列(或者投影后的平面直角坐标)。区域范围数列具体形式数下：
经度序列 纬度序列 备注说明
-180 -90 边界拐点号1
180 -90 边界拐点号2
180 90 边界拐点号3
-180 90 边界拐点号4
-180 90 边界拐点号1
2)指定步骤1中的目标区域的空间高度；
本实施例中的目标区域的空间高度为，全球范围内地面以上100m的空间高度范围内。
3)获取表征步骤2中的目标区域空间的风速、空气密度的气象数据；
该目标区域空间的风速、空气密度的气象数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
本实施例中选取通过数值模拟方法获取的空间分布的计算结果数据，全球范围大气模型ECMWF计算的网格为2.5°×2.5°的风速、空气温度、大气地表压力数据作为计算目标区域所需气象数据；所获取的数据为72×144个数据。
所获取的数据为多个离散点的风速、空气密度的气象数据，将该目标区域剖分成小网格，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的风速、空气密度的气象数据插值到网格中心点上；
利用反距离插值法将数据插值到0.25°×0.25°的小网格的中心点上，所获取的数据为720×1440个数据。
本实施例中通过得到的空气温度、大气地表压力数据利用理想气体状态方程计算网格中心点处的空气密度。
4)根据步骤3中所得的气象数据，计算的目标区域的单位面积风能理论储量；
目标区域的单位面积风能理论储量的计算公式具体形式如下：
ED＝∫(1/2ρV2)dz；
式中：ED是单位面积风能理论储量，V是风速，ρ是空气密度，dz垂向空间的高度。
计算结果可以利用surfer、AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor等地理信息系统软件，进行全球单位面积风能理论储量分布图，参见图2，通过图2中单位面积风能理论储量数值的高低来评估风能资源状况优劣。
5)计算的目标区域的面积；
目标区域的面积，用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息系统，计算区域面积；
为了准确的计算全球风能理论储量，本实施例中利用等面积投影(theprojection of Equal Area)计算了目标区域的各个网格面积，计算的0.25°x0.25°的网格面积从纬度-90°到0°面积由422252m2逐渐增长到774500608m2，通过对全球各个单元格面积加和，求得目标区域地球表面积为511206687559530m2。
6)根据步骤3中所得的风速、空气密度的气象数据、步骤2中指定的目标区域的空间高度、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到目标区域空间范围内的区域风能理论储量。
目标区域风能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz；
式中：ER是区域风能理论储量，V是随高度变化的风速；ρ是空气密度；dz垂向空间的步长，依据气象数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取风能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上气象数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
本实施例选用的是ECMWF计算的气温、气压利用理想气体状态方程计算网格中心点处的空气密度，dz垂向空间的步长，本实施例空间的高度取为100m高，dxdy是空间步长，本实施例选用的是ECMWF的0.25°x0.25°的网格。
本实施例中对1979年1月1日到2019年12月31日的逐时风能按上述公式对全球地表100m空间理论风能储量进行了计算，全球理论风能储量波动范围在1.9×1018焦耳到3.0×1018焦耳之间，41年平均值为2.4×1018焦耳。具体的时间过程线见图3。
实施例二
如图1、2、3所示，一种风能理论储量评估方法，包括以下步骤：
1)选取风能理论储量估算的目标区域，提取该目标区域的坐标范围；
目标区域的坐标范围为，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述。
本实施例中选取某一个风机(地理坐标为119.015432°E，37.220934°N)为例，具体的目标区域坐标范围是以这个风机机座为中心的以200m为半径的圆形底面。
2)指定步骤1中的目标区域的空间高度；
本实施例中的目标区域的空间高度为200m高的圆柱状空间内。
3)获取表征步骤2中的目标区域空间的风速、空气密度的气象数据；
目标区域空间的风速、空气密度的气象数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
本实施例中选取的是一个站位的2011年平均的实测垂向分层风速数据，具体数据格式如下：
高度(m) 风速(m/s) 风向(°)
10 3.5 197
50 3.8 193
90 4.2 186
170 4.3 182
空气密度采用的经验数据1.225kg/m3。
4)根据步骤3中所得的气象数据，计算的目标区域的单位面积风能理论储量；
目标区域的单位面积风能理论储量的计算公式具体形式如下：
ED＝∫(1/2ρV2)dz；
式中：ED是单位面积风能理论储量，V是风速，ρ是空气密度，dz垂向空间的高度。
本实施例中依据获取的风速的垂向分层情况按中间分层法分层，具体层厚为(30m,40m,60m,70m),本实施例空间的高度取为200m高。
本实施例中对某一个风机附近按上述公式对选定区域空间单位面积风能理论储量进行了计算，计算结果约为2020焦耳/平方米。
5)计算的目标区域的面积；
目标区域为规则的圆柱形，为此底面积为半径200m的圆形，根据几何图形面积(圆形面积)计算法计算其面积为125600m2。
6)根据步骤3中所得的风速、空气密度的气象数据、步骤2中指定的目标区域的空间高度、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到目标区域空间范围内的区域风能理论储量。
目标区域风能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz；
式中：ER是区域风能理论储量，V是随高度变化的风速；ρ是空气密度；dz垂向空间的步长，依据气象数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取风能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上气象数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
本实施例中空气密度采用的经验数据1.225kg/m3。
本实施例中依据获取的风速的垂向分层情况按中间分层法分层，具体层厚为(30m,40m,60m,70m),本实施例空间的高度取为200m高。∫∫dxdy是面积，本实施例选用的是第4步得到的面积。
本实施例中对某一个风机附近按上述公式对选定区域空间理论风能储量进行了计算，该风机附近以200m为半径的圆形底面和200m高的圆柱状空间内的风能理论储量为2.536×108焦耳。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种风能理论储量评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取风能理论储量估算的目标区域，提取所述目标区域的坐标范围；
所述目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列或者投影后的平面直角坐标；或者，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述；
2)指定步骤1)中所述的目标区域的空间高度；
3)获取表征步骤2)中所述的目标区域空间的风速、空气密度的气象数据；
所述的风速、空气密度的气象数据，为实测的或者用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
有多个离散点的风速、空气密度的气象数据时，将该目标区域剖分成小网格，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的风速、空气密度的气象数据插值到网格中心点上；
4)根据步骤3)中所得的气象数据，计算得到所述的目标区域的单位面积风能理论储量；
5)计算所述的目标区域的面积；
所述目标区域的面积，使用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息系统，计算区域面积；
6)根据步骤3)中所得的风速、空气密度的气象数据、步骤2)中指定的目标区域的空间高度、步骤5)中所得的目标区域的面积，计算得到所述的目标区域空间范围内的区域风能理论储量。
2.根据权利要求1所述的风能理论储量评估方法，其特征在于：步骤4)中，所述的单位面积风能理论储量，使用以下公式进行计算：
ED＝∫(1/2ρV2)dz
式中：ED是单位面积风能理论储量，V是风速，ρ是空气密度，dz垂向空间的步长。
3.根据权利要求2所述的风能理论储量评估方法，其特征在于：步骤6)中，根据区域风能理论储量计算公式，计算所述的目标区域空间范围内的区域风能理论储量；
所述的区域风能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz
式中：ER是区域风能理论储量，V是随高度变化的风速；ρ是空气密度；dz垂向空间的步长，依据气象数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取风能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上气象数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
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