CN113743027A - 一种基于cfd技术绘制风资源图谱的方法和装置 - Google Patents

一种基于cfd技术绘制风资源图谱的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法和装置；所述方法包括：生成用于CFD计算的目标区域的地形图；获取目标区域内若干测风点的长期数据；根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。本申请的方案应用CFD技术，结合实际地形图，对风场进行模拟，得到相关风资源数据；通过较少的实测点数据，即可模拟计算出更多结果点的风资源数据，从而实现了高分辨率下陆上风资源图谱的建立，为后续风电场的宏观选址提供有力支持。

Description

一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法和装置
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法和装置。
背景技术
随着风电行业的发展，越来越多的风电场被投资、建设。对于风电投资者来说，投资收益率至关重要，提高宏观选址的技术水平可以有效地提高新建风电场的投资收益，而风资源图谱是风电场宏观选址的技术保障。风资源图谱作为风资源调查与评估的主要载体和直观成果，是制定风电开发规划与风电场宏观布局的先决条件，也是后续进行项目机型选择、机位排布、发电量估算和经济指标测算的输入资料。通过建立风资源图谱，可以直观地展示广阔区域内风资源的整体情况，迅速找出高风速、高发电量区域，为风电场规划、前期选址、风资源评估提供详实可靠的数据支持。通过导入第三方图谱，如土地所有权、人口密度、土壤类型、地形、输变电和交通运输等，可以对影响风场选址的诸多变量进行分析，进而在风电场勘探过程中能够更快地识别出具有潜力的风场，及时发现拟定风场潜在的致命缺陷。
风资源图谱的建立有利于风电场的宏观选址。目前，风资源图谱的绘制方法多基于中尺度大气模式，空间分辨率较低，且没有充分考虑实际地形的影响。
相关技术中，行业常规的陆上风资源图谱大多是通过中尺度大气模式，获得一定时空分辨率下的风速、风向模拟结果；经实测资料修正后生成风资源图谱。而大气模式的分辨率有一定的局限性，无法体现出局地地形和粗糙度对风速分布的影响。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法和装置。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法，包括：
生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
获取目标区域内若干测风点的长期数据；
根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
进一步地，所述生成用于CFD计算的目标区域的地形图，包括：
获取目标区域的地形图，以及与目标区域相邻的所有区域的地形图；
将多个地形图进行拼接，生成用于CFD计算的地形图。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标区域的地形图为：分辨率(1/3600)°×(1/3600)°、尺寸1°×1°的SRTM地形图；
相应地，所述将多个地形图进行拼接，包括：
将hgt格式的SRTM地形图转换为map格式的地形图；
将转换后的九块map格式的地形图拼接成尺寸为3°×3°的地形图。
进一步地，所述获取目标区域内若干测风点的长期数据，包括：
获取目标区域内若干测风点的基于MERRA-2的长期数据；所述长期数据包括风向数据和风速数据；
其中，所述测风点的个数为五个；一个测风点位于目标区域的中心点，其余四个测风点均匀分布在目标区域的边界内侧。
进一步地，所述目标区域的西北角、西南角、东北角、东南角、中心点的坐标分别为(ulx,uly)、(llx,lly)、(urx,ury)、(lrx,lry)、(cx,cy)；
相应地，五个测风点的坐标分别为(ulx+d,uly-d)、(llx+d,lly+d)、(urx-d,ury-d)、(lrx-d,lry+d)、(cx,cy)。
进一步地，所述方法还包括：
获取目标区域内测风塔的实测数据；
将所述实测数据进行过滤、拟合处理；
根据处理后的数据截取一整年的风资源数据。
进一步地，所述对目标区域进行CFD模拟计算，包括：
将长期数据和地形图输入WT软件进行模拟计算；或者，
将长期数据、一整年的风资源数据和地形图输入WT软件进行模拟计算。
进一步地，所述得到多个结果点的风资源数据，包括：
从WT软件输出的结果文件中获取结果点的威布尔参数A和威布尔参数k；
根据公式U＝A·Γ(1+1/k)计算各结果点的平均风速U。
进一步地，所述根据风资源数据生成目标区域的风资源图层，包括：
建立由各结果点的经纬度坐标和平均风速U组成的csv格式文件；
将csv文件导入地理信息系统软件中，并对数据图层进行导出操作，得到目标区域的风资源图层；
其中，导出范围设置为，西：llx、北：ury、东：urx、南：lly。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于CFD技术绘制风资源图谱的装置，包括：
地形生成模块，用于生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
数据获取模块，用于获取目标区域内若干测风点的长期数据；
模拟计算模块，用于根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
图层生成模块，用于根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
图谱合成模块，用于将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
本申请的方案应用CFD(计算流体力学)技术，结合实际地形图，对风场进行模拟，得到相关风资源数据；通过较少的实测点数据，即可模拟计算出更多结果点的风资源数据，从而实现了高分辨率下陆上风资源图谱的建立，为后续风电场的宏观选址提供有力支持，有利于提高风电场的投资收益。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法的数据流程图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种SRTM地形图的示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的WT软件的计算结果示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的目标区域的栅格文件示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：
步骤S1：生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
步骤S2：获取目标区域内若干测风点的长期数据；
步骤S3：根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
步骤S4：根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
步骤S5：将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
本申请的方案利用CFD(计算流体力学)技术，配合分辨率达到约30m的SRTM地形数据，以基于MERRA-2的长期风资源数据(和测风塔实测数据)作为输入，生成高分辨率陆上风资源图谱。本发明应用计算流体力学技术，结合实际地形图，对风场进行模拟，得到相关风资源数据；通过较少的实测点数据，即可模拟计算出更多结果点的风资源数据，从而实现了高分辨率下陆上风资源图谱的建立，为后续风电场的宏观选址提供有力支持，有利于提高风电场的投资收益。
应当理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
如图2所示，下面结合具体的应用场景，对本申请的方案进行拓展说明。
1、将分辨率约30m即(1/3600)°×(1/3600)°、尺寸1°×1°、*.hgt格式的SRTM地形图转化为*.map格式的地形文件。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命)是对全球进行地形测绘的产品，其数据主要是由美国航空航天局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的。SRTM的数据用16位的数值表示高程数值，最大的正高程为9000m，负高程在海平面以下12000m。如图3所示，灰色正方形为一块SRTM地形图所包含的区域(目标区域)，需将该地形图和与其相邻的8块SRTM地形图均转化为*.map格式的地形图。
2、将步骤1所需的9块*.map格式地形图拼接成图3所示的尺寸为3°×3°的地形图，生成用于计算流体力学软件METEODYN WT(简称WT)的地形图。
此处的“拼接”在操作上并无特别之处，但该操作对于模拟计算的准确性有如下意义：为避免因目标点位距离地形边界过近而造成CFD计算的误差增加，需将目标区域地形图与其周边的8块地形图进行拼接操作。这样，将拼接后的地形图的边界作为CFD模拟的计算边界，其距离目标地形图的边界较远，可以较大程度地排除因计算边界距离目标点位过近而造成的计算误差。
3、步骤S2中，获取基于MERRA-2的长期数据。通过3tier公司官网(www.3tier.com)下载图3目标区域内5个蓝色圆点(测风点)位置在所需高度h处的长期风资源(风速风向)数据，该数据基于MERRA-2(The Modern-Era Retrospective analysis for Research andApplications,Version 2，即针对研究和应用的现代回顾性分析第2版)数据，MERRA-2是NASA全球模拟和同化办公室(GMAO)制作的现代卫星时代的最新大气再分析数据。目标区域中，中心测风点与目标区域中心重合，其余4个测风点与目标区域边界的距离均为d[m]。在1980西安坐标系下，目标区域的西北角、西南角、东北角、东南角和中心点的坐标分别为A1(ulx,uly)、A2(llx,lly)、A3(urx,ury)、A4(lrx,lry)以及A0(cx,cy)，五个测风点坐标分别为B1(ulx+d,uly-d)、B2(llx+d,lly+d)、B3(urx-d,ury-d)、B4(lrx-d,lry+d)以及A0(cx,cy)。
4、通过测风数据处理软件Windographer将步骤3中下载的测风点长期数据导出为METEODYN WT软件计算所需的*.tim文件。
如有目标区域中的测风塔实测数据，可将其导入到Windographer软件中进行相关处理。比如，剔除不合理数据，以及对因霜冻、覆冰等原因导致缺测的风速和风向数据进行拟合补全处理等。之后，截取一整年的风资源数据，并通过Windographer软件导出为*.tim文件。
5、将步骤2创建的地形图和步骤4得到的风资源数据*.tim文件输入到WT软件中，进行绘图操作，绘图区域为图3和图4所示的虚线所包围的区域。
WT软件的绘图设置如下：西南角和东北角的坐标分别为(llx-d,lly-d)和(urx+d,ury+d)，绘图步长设置为d，高度设置为h。定向计算设置如下：最小水平分辨率为25，最小垂直分辨率为4，水平扩展系数为1.1，最大迭代次数为25，热稳定度等级为2，步长角度为22.5。完成16个扇区的定向计算后，进行综合计算。
6、WT软件的计算结果为图4所示的绘图区域内各结果点位置在高度h处的风资源数据，结果点的水平空间分辨率为d。
7、在WT软件的格式为*.rsf的结果文件中，包括结果点的威布尔参数A和威布尔参数k等，通过如下公式可以得到各结果点的平均风速U：
Figure BDA0003183664400000071
在分析风速序列时，其概率密度函数通常可以使用威布尔分布进行拟合。其中，A、k分别为威布尔分布的比例参数和形状参数。配合伽马函数，可以得到该风速序列的平均风速值。伽马函数的表达式如下：
Figure BDA0003183664400000072
8、建立由各结果点的经纬度坐标和步骤7得到的各结果点高度h处的平均风速组成的*.csv格式文件，格式如表1所示。文件第1列为各结果点的经度坐标x，第2列为各结果点的纬度坐标y，第3列为各结果点的平均风速U。
表1
经度/[m] 纬度/[m] 风速/[m/s]
x1 y1 U1
x2 y2 U2
... ... ...
9、将步骤8得到的*.csv文件转化为*.tiff栅格文件，然后导入开源桌面地理信息系统软件QGIS中，对数据图层进行切割处理得到目标区域图层，即图5所示的尺寸为1°×1°的目标区域的*.tiff栅格文件。顶点和中心坐标分别为(ulx,uly)、(llx,lly)、(urx,ury)、(lrx,lry)以及(cx,cy)。
这里的“切割处理”，可以通过QGIS软件中的“导出图层”功能实现，目的是对图层范围进行限定。具体地，将步骤8得到的*.csv文件导入到开源桌面地理信息系统软件QGIS中，并对数据图层进行导出操作，导出范围为原始目标区域边界——西：llx、北：ury、东：urx、南：lly。此操作所导出的栅格文件即为目标区域的风资源图层。
10、重复步骤1～9，将所需区域内的SRTM地形图、基于MERRA-2的长期数据(和测风塔实测数据)进行相关计算、处理，即可得到各区域的风资源图谱，通过拼接处理可得到大范围的陆上风资源图谱。
本申请的实施例还提供一种基于CFD技术绘制风资源图谱的装置，包括：
地形生成模块，用于生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
数据获取模块，用于获取目标区域内若干测风点的长期数据；
模拟计算模块，用于根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
图层生成模块，用于根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
图谱合成模块，用于将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于CFD技术绘制风资源图谱的方法，其特征在于，包括：
生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
获取目标区域内若干测风点的长期数据；
根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成用于CFD计算的目标区域的地形图，包括：
获取目标区域的地形图，以及与目标区域相邻的所有区域的地形图；
将多个地形图进行拼接，生成用于CFD计算的地形图。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标区域的地形图为：分辨率(1/3600)°×(1/3600)°、尺寸1°×1°的SRTM地形图；
相应地，所述将多个地形图进行拼接，包括：
将hgt格式的SRTM地形图转换为map格式的地形图；
将转换后的九块map格式的地形图拼接成尺寸为3°×3°的地形图。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述获取目标区域内若干测风点的长期数据，包括：
获取目标区域内若干测风点的基于MERRA-2的长期数据；所述长期数据包括风向数据和风速数据；
其中，所述测风点的个数为五个；一个测风点位于目标区域的中心点，其余四个测风点均匀分布在目标区域的边界内侧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标区域的西北角、西南角、东北角、东南角、中心点的坐标分别为(ulx,uly)、(llx,lly)、(urx,ury)、(lrx,lry)、(cx,cy)；
相应地，五个测风点的坐标分别为(ulx+d,uly-d)、(llx+d,lly+d)、(urx-d,ury-d)、(lrx-d,lry+d)、(cx,cy)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
获取目标区域内测风塔的实测数据；
将所述实测数据进行过滤、拟合处理；
根据处理后的数据截取一整年的风资源数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对目标区域进行CFD模拟计算，包括：
将长期数据和地形图输入WT软件进行模拟计算；或者，
将长期数据、一整年的风资源数据和地形图输入WT软件进行模拟计算。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述得到多个结果点的风资源数据，包括：
从WT软件输出的结果文件中获取结果点的威布尔参数A和威布尔参数k；
根据公式U＝A·Γ(1+1/k)计算各结果点的平均风速U。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据风资源数据生成目标区域的风资源图层，包括：
建立由各结果点的经纬度坐标和平均风速U组成的csv格式文件；
将csv文件导入地理信息系统软件中，并对数据图层进行导出操作，得到目标区域的风资源图层；
其中，导出范围设置为，西：llx、北：ury、东：urx、南：lly。
10.一种基于CFD技术绘制风资源图谱的装置，其特征在于，包括：
地形生成模块，用于生成用于CFD计算的目标区域的地形图；
数据获取模块，用于获取目标区域内若干测风点的长期数据；
模拟计算模块，用于根据长期数据和地形图，对目标区域进行CFD模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
图层生成模块，用于根据风资源数据生成目标区域的风资源图层；
图谱合成模块，用于将多个不同目标区域的风资源图层进行合并拼接，建立风资源图谱。
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