CN115825894A - 一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质 - Google Patents

一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质，对获取的风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，并基于预设的风况参数计算公式计算获得径向风功率密度，从而根据径向风功率密度获得风况参数；通过获取高空风能捕获设备的运行时间、运行位置和倾角，在符合运行时间、运行位置和倾角的风况参数中，匹配径向风功率密度达到要求的风向和高度，从而确定了高空风能捕获设备工作的高空风能捕获区域，继而根据高空风能捕获区域对高空风能捕获设备进行控制。本发明相较于现有技术通过分析低空且水平方向的风能区域，基于分析获得的径向风况确定风能捕获设备的高空风能捕获区域，提高了风能捕获设备捕获风能的效率。

Description

一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质
技术领域
本发明涉及高空风能发电技术领域，尤其涉及一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质。
背景技术
高空风能捕获与发电技术作为一种新型风力发电技术，在国际上引起了广泛关注，其载体通常被称为高空风能发电系统(Airborne Wind Energy System，AWES)。AWES系统主要采用系留航空器捕获高空风能并将其转化为电能。根据GB/T 18710《风电场风能资源评估方法》、NB/T 31147《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》，现有的风能资源评估流程如下：收集风资源相关资料，并对资料进行剔除、插补、替换和订正(可按照GB/T37523《风电场气象观测资料审核、插补与订正技术规范》的附录C代表年数据订正方法，将测风仪器周年实测资料订正为反映观测地点长期平均水平的代表性数据)，最后风况参数统计与分析，统计不同时段的平均风速和风功率密度、风速频率分布和风能频率分布、风向频率和风能密度方向分布、风切变指数和湍流强度等；绘制全年风速和风功率密度日变化曲线图、风速和风功率密度的年内变化曲线图、全年的风速和风能频率分布直方图、全年的风向和风能玫瑰图等年风况图、表，以及各月的风速和风功率密度日变化曲线图、各月的风向和风能玫瑰图等月风况图、表，从而根据分析获得的风况参数获得最优的风能资源位置。
但现有技术只适用于水平轴风力发电机组的常规风力发电，无法满足高空风能捕获与发电技术的风能捕获位置确定需求，因此根据现有技术进行高空风能捕获的风能捕获位置确定存在较大误差，准确性低。
因此，亟需风能捕获位置的确定策略，来解决高空风能发电技术的风能捕获位置确定准确性低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种风能捕获位置的确定方法、装置、终端设备及介质，以提升高空风能发电技术的风能捕获位置确定的准确性。
为了解决上述问题，本发明一实施例提供一种风能捕获位置的确定方法，包括：
获取风能观测资料；
对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据；
将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度；
获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
作为上述方案的改进，所述对所述风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，包括：
所述风能观测资料，包括：各高度层的雷达观测资料、各高度层的无线电探空资料和各高度层的气象再分析资料；
根据雷达厂家的信噪比阈值，对所述各高度层的雷达观测资料进行有效性验证，获得各高度层的雷达观测有效资料；
通过所述各高度层的无线电探空资料，对所述各高度层的雷达观测有效资料进行检验，获得各高度层的雷达观测合格资料；其中，每个高度层的无线电探空资料与每个高度层的雷达观测有效资料一一对应；
建立所述各高度层的雷达观测合格资料和所述各高度层的气象再分析资料之间的回归关系式，求解获得各高度层的替代数据；
结合所述各高度层的雷达观测资料和所述各高度层的替代数据，获得各高度层的雷达观测数据。
作为上述方案的改进，所述将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数，具体为：
每个所述高度层的雷达观测数据包括：空气密度、位势高度、气压、水平风速、垂直速度、时间、位置、倾角和风向；
将每个所述高度层的雷达观测数据中的空气密度、位势高度、气压、水平速度和处置速度代入预设的径向风功率密度计算公式中，计算获得风功率密度；其中，所述预设的径向风功率密度计算公式，具体为：
Figure BDA0003955568970000031
式中，ρr为空气插值密度，Vr为径向风速，Er为径向风功率密度，Hr为位势高度中的观测高度，Hm，i和Hm，i-1分别为位势高度中的距离观测高度Hr最近的上、下两个气压层Pm，i和Pm，i-1对应的高度，ρm，i和ρm，i-1分别为气压层Pm，i和Pm，i-1对应的空气密度，Ur为水平风速，Wr为垂直风速；其中，空气密度ρm，i由相同气压层的气温Tm，i和比温Qm，i统计获得，公式为：
Figure BDA0003955568970000041
提取每个所述高度层的雷达观测数据中的时间、位置、倾角和风向，与每个所述高度层计算获得的径向风功率密度结合，生成若干高度层的风况参数。
作为上述方案的改进，所述基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数，具体为：
所述设备控制指令包括朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令，所述设备参数包括：朝向、斜率和线体长度；
根据所述高空风能捕获区域的风向生成朝向控制指令，根据所述高空风能捕获区域的倾角生成斜率控制指令，以及根据所述高空风能的倾角和高度层，生成线体控制指令；其中，所述朝向控制指令用于高空风能捕获设备的朝向调整，所述斜率控制指令用于高空风能捕获设备的斜率调整，所述线体控制指令用于高空风能捕获设备的线体长度的调整；
将所述设备控制指令传输至所述高空风能捕获设备中，以使所述高空风能捕获设备在执行朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令后，能够位于高空风能捕获区域进行风电转化。
作为上述方案的改进，在所述生成若干高度层的风况参数之后，还包括：
在高空风能捕获设备设置好运行时间、运行位置、朝向、斜率和线体长度后，基于所述线体长度和所述斜率确定若干观测高度层，根据高空捕获设备确定的运行时间、运行位置、朝向和若干观测高度层，通过所述若干高度层的风况参数，匹配获得高空捕获设备若干观测高度层对应的径向风功率密度，对所述若干观测高度层对应的径向风功率密度进行均值计算，获得等效径向风功率密度；
对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果。
作为上述方案的改进，所述对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果，具体为：
对高空风能捕获设备的斜率进行调整；其中，斜率可以调整为：tan30°、tan 35°、tan 40°、tan 45°、tan 50°、tan 55°和tan 60°；
对所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，等效径向风功率密度小于200W/m2为1级，等效径向风功率密度处于200～300W/m2为2级，等效径向风功率密度处于300～400W/m2为3级，等效径向风功率密度处于400～500W/m2为4级，等效径向风功率密度处于500～600W/m2为5级，等效径向风功率密度处于600～800W/m2为6级，等效径向风功率密度大于800W/m2为7级；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于2级时，评估为具备开发价值；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级时，评估为可用资源；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级，且等效径向风功率对应的工况参数变幅小于变幅阈值时，评估为优势资源。
作为上述方案的改进，在所述生成若干高度层的风况参数后，还包括：
所述风况参数还包括：径向风速；
对每个高度层的风况参数中的时间、径向风速和径向风功率密度进行绘图，获得每个高度层的季节变化折线图与日变化折线图；其中，季节变化折线图的时间以月份为单位，日变化折线图的时间以小时为单位；
计算每个高度层全时段的平均径向风速，并绘制平均径向风速随高度层变化折线图；
根据每个高度层全时段的风向，计算获得风向频率，并绘制风向频率随高度层变化的图；
根据每个高度层的风况参数中的径向风速和径向风功率密度，分别按照每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，获得径向风速频率直方图和径向风功率密度频率直方图。
相应的，本发明一实施例还提供了一种风能捕获位置的确定装置，包括：数据获取模块、数据预处理模块、数据计算模块和结果生成模块；
所述数据获取模块，用于获取风能观测资料；
所述数据预处理模块，用于对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据；
所述数据计算模块，用于将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度；
所述结果生成模块，用于获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
相应的，本发明一实施例还提供了一种计算机终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明所述的一种风能捕获位置的确定方法。
相应的，本发明一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如本发明所述的一种风能捕获位置的确定方法。
由上可见，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种风能捕获位置的确定方法，对获取的风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，并基于预设的风况参数计算公式计算获得径向风功率密度，从而根据径向风功率密度获得风况参数；通过获取高空风能捕获设备的运行时间、运行位置和倾角，在符合运行时间、运行位置和倾角的风况参数中，匹配径向风功率密度达到要求的风向和高度，从而确定了高空风能捕获设备工作的高空风能捕获区域，继而根据高空风能捕获区域对高空风能捕获设备进行控制。本发明相较于现有技术通过分析低空且水平方向的风能区域，通过分析高空且垂直于高空风能捕获设备倾角方向的径向风况，基于分析获得的径向风况确定风能捕获设备的高空风能捕获区域，提高了风能捕获设备捕获风能的效率，进而提升高空风能发电技术的风能捕获位置确定的准确性。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的风能捕获位置的确定方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的风能捕获位置的确定装置的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的径向风速、径向风功率密度季节变化与日变化折线图；
图4是本发明一实施例提供的径向风速、风向随高度变化示意图；
图5是本发明一实施例提供的径向风速、径向风功率密度频率分布示意图；
图6是本发明一实施例提供的高空风能捕获设备在选定的风能捕获区域的等效风功率密度估算方法的流程示意图；
图7是本发明一实施例提供的一种终端设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，图1是本发明一实施例提供的一种风能捕获位置的确定方法的流程示意图，如图1所示，本实施例包括步骤101至步骤104，各步骤具体如下：
步骤101：获取风能观测资料。
在一具体的实施例中，雷达观测资料包括雷达观测高度层列表Hr、每个高度层逐10分钟的水平风速Ur、风向Dr、垂直速度Wr和信噪比SNRr记录，现场观测时间不少于6个月。
无线电探空资料包括气压层列表Pp、每个气压层逐日8时、20时定时记录的位势高度Hp、水平风速Up、风向Dp记录，资料时段与雷达现场观测资料同期。
气象再分析资料包括气压层列表Pm、每个气压层逐时的位势高度Hm、水平风速Um、风向Dm、垂直速度Wm、气温Tm、比湿Qm数据，资料时段为近10年并包含雷达现场观测时段。
步骤102：对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据。
在本实施例中，所述对所述风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，包括：
所述风能观测资料，包括：各高度层的雷达观测资料、各高度层的无线电探空资料和各高度层的气象再分析资料；
根据雷达厂家的信噪比阈值，对所述各高度层的雷达观测资料进行有效性验证，获得各高度层的雷达观测有效资料；
通过所述各高度层的无线电探空资料，对所述各高度层的雷达观测有效资料进行检验，获得各高度层的雷达观测合格资料；其中，每个高度层的无线电探空资料与每个高度层的雷达观测有效资料一一对应；
建立所述各高度层的雷达观测合格资料和所述各高度层的气象再分析资料之间的回归关系式，求解获得各高度层的替代数据；
结合所述各高度层的雷达观测资料和所述各高度层的替代数据，获得各高度层的雷达观测数据。
在一具体的实施例中，对雷达观测资料的预处理包括：雷达观测资料整理、雷达观测资料检验、基于气象再分析资料的插补延长。
在一具体的实施例中，雷达观测资料整理具体为：根据雷达厂家推荐的信噪比阈值SNRd(即本权要所述的)判断逐高度层、逐10分钟的水平风速Ur、风向Dr、垂直速度Wr有效性；当SNRr>SNRd时，该高度、该10分钟的Ur、Dr、Wr被认为有效记录，反之则为无效记录。进一步统计各要素在各高度层的小时平均值，当一小时内的无效记录占比超过50％时，该小时被认为缺测值。由此整理得到逐高度层、逐小时的Ur、Dr、Wr序列。
在一具体的实施例中，雷达观测资料检验具体为：
利用无线电探空资料检验雷达观测资料的可靠性；
构建无量纲水平风速廓线表达式U′(z)：
Figure BDA0003955568970000101
式中，U(z)为任一高度z的水平风速，U(ht)为目标高度ht的水平风速；
雷达观测资料的无量纲水平风速廓线Ur′(z)表示为：
Figure BDA0003955568970000102
式中，Ur(z)为雷达在其任一观测高度层z上的水平风速，Ur(300)为300m高度的水平风速推算值，由距离300m高度最近的两个观测高度层水平风速取平均值得到；
无线电探空资料的无量纲水平风速廓线Up′(z)表示为：
Figure BDA0003955568970000103
式中，Up(z)为探空资料在其任一位势高度z上的水平风速，Up(300)为300m高度的水平风速推算值，由距离300m高度最近的两个位势高度上的水平风速取平均值得到；
取500m、1000m、1500m、2000m、3000m等特征高度z0，比较对应时次的Ur′(z)与Up′(z)，统计全部时次内的偏差均值dU：
Figure BDA0003955568970000111
式中，n为观测期间内全部时次；当dU<10％时，雷达观测资料检验通过，可以用于后续的高空风能资源评估；反之则检验不通过，更换其他观测资料重新进行检验。
在一具体的实施例中，基于气象再分析资料的插补延长，具体为：对经过检验的雷达观测资料，逐高度层利用气象再分析资料最临近气压层的水平风速Um、风向Dm、垂直速度Wm，与雷达观测资料的水平风速Ur、风向Dr、垂直速度Wr建立一元线性回归关系式：
Ur′＝a1Um+b1
Dr′＝a2Dm+b2
Wr′＝a3Wm+b3
式中，Ur’、Dr’、Wr’为替代数据，a1、b1、a2、b2、a3、b3为根据最小二乘法确定的系数。取与雷达缺测值同时段的气象再分析资料按照一元线性回归关系式插补得到替代数据，替代雷达缺测值；取雷达观测时段之外的气象再分析资料按照一元线性回归关系式延长得到替代数据，将雷达观测资料延长至近10年，用于后续的高空风能资源评估。
步骤103：将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度。
在本实施例中，所述将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数，具体为：
每个所述高度层的雷达观测数据包括：空气密度、位势高度、气压、水平风速、垂直速度、时间、位置、倾角和风向；
将每个所述高度层的雷达观测数据中的空气密度、位势高度、气压、水平速度和处置速度代入预设的径向风功率密度计算公式中，计算获得风功率密度；其中，所述预设的径向风功率密度计算公式，具体为：
Figure BDA0003955568970000121
式中，ρr为空气插值密度，Vr为径向风速，Er为径向风功率密度，Hr为位势高度中的观测高度，Hm，i和Hm，i-1分别为位势高度中的距离观测高度Hr最近的上、下两个气压层Pm，i和Pm，i-1对应的高度，ρm，i和ρm，i-1分别为气压层Pm，i和Pm，i-1对应的空气密度，Ur为水平风速，Wr为垂直风速；其中，空气密度ρm，i由相同气压层的气温Tm，i和比温Qm，i统计获得，公式为：
Figure BDA0003955568970000122
提取每个所述高度层的雷达观测数据中的时间、位置、倾角和风向，与每个所述高度层计算获得的径向风功率密度结合，生成若干高度层的风况参数。
在一具体的实施例中，风况参数计算包括：空气密度计算、径向风速计算和径向风功率密度计算。
在一具体的实施例中，空气密度计算具体为：基于插补延长后的近10年雷达观测资料，根据各高度层最临近气压层的空气密度ρm，插值生成各高度层的空气密度ρr；公式具体如下：
Figure BDA0003955568970000131
式中，Hm，i和Hm，i-1为气象再分析资料中距离雷达观测高度hr最近的上、下两个气压层ρm，i和ρm，i-1对应的位势高度，ρm，i和ρm，i-1为相应气压层的空气密度；
而根据空气密度ρm则是根据气象再分析材料中相同气压层Pm的气温Pm、比湿Qm统计得到；公式具体如下：
Figure BDA0003955568970000132
在一具体的实施例中，径向风速计算具体为：雷达观测资料各高度层的径向风速Vr由水平风速Ur，垂直速度Wr，系留缆绳倾角θ统计得到；公式具体如下：
Vr＝rcosθ+Wrsinθ。
在一具体的实施例中，径向风功率密度计算具体如下：雷达观测资料各高度层的径向风功率密度Er表示为：
Figure BDA0003955568970000133
步骤104：获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
在本实施例中，所述基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数，具体为：
所述设备控制指令包括朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令，所述设备参数包括：朝向、斜率和线体长度；
根据所述高空风能捕获区域的风向生成朝向控制指令，根据所述高空风能捕获区域的倾角生成斜率控制指令，以及根据所述高空风能的倾角和高度层，生成线体控制指令；其中，所述朝向控制指令用于高空风能捕获设备的朝向调整，所述斜率控制指令用于高空风能捕获设备的斜率调整，所述线体控制指令用于高空风能捕获设备的线体长度的调整；
将所述设备控制指令传输至所述高空风能捕获设备中，以使所述高空风能捕获设备在执行朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令后，能够位于高空风能捕获区域进行风电转化。
在本实施例中，在所述生成若干高度层的风况参数后，还包括：
所述风况参数还包括：径向风速；
对每个高度层的风况参数中的时间、径向风速和径向风功率密度进行绘图，获得每个高度层的季节变化折线图与日变化折线图；其中，季节变化折线图的时间以月份为单位，日变化折线图的时间以小时为单位；
计算每个高度层全时段的平均径向风速，并绘制平均径向风速随高度层变化折线图；
根据每个高度层全时段的风向，计算获得风向频率，并绘制风向频率随高度层变化的图；
根据每个高度层的风况参数中的径向风速和径向风功率密度，分别按照每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，获得径向风速频率直方图和径向风功率密度频率直方图。
在本实施例中，在所述生成若干高度层的风况参数之后，还包括：
在高空风能捕获设备设置好运行时间、运行位置、朝向、斜率和线体长度后，基于所述线体长度和所述斜率确定若干观测高度层，根据高空捕获设备确定的运行时间、运行位置、朝向和若干观测高度层，通过所述若干高度层的风况参数，匹配获得高空捕获设备若干观测高度层对应的径向风功率密度，对所述若干观测高度层对应的径向风功率密度进行均值计算，获得等效径向风功率密度；
对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果。
在本实施例中，所述对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果，具体为：
对高空风能捕获设备的斜率进行调整；其中，斜率可以调整为：tan30°、tan 35°、tan 40°、tan 45°、tan 50°、tan 55°和tan 60°；
对所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，等效径向风功率密度小于200W/m2为1级，等效径向风功率密度处于200～300W/m2为2级，等效径向风功率密度处于300～400W/m2为3级，等效径向风功率密度处于400～500W/m2为4级，等效径向风功率密度处于500～600W/m2为5级，等效径向风功率密度处于600～800W/m2为6级，等效径向风功率密度大于800W/m2为7级；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于2级时，评估为具备开发价值；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级时，评估为可用资源；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级，且等效径向风功率对应的工况参数变幅小于变幅阈值时，评估为优势资源。
在一具体的实施例中，高空风能捕获设备可以为伞形系留风筝。
在一具体的实施例中，请参见图6，图6为高空风能捕获设备在选定的风能捕获区域的等效风功率密度估算方法，包括步骤601至步骤604；
步骤601：根据伞形系留风筝的个数nc、间距lc、倾角θ，确定系统每次做功所上升幅度Hrange：
Hrange＝nclcsinθ
步骤602：根据系留风筝的最高运行高度Hlimit，特定倾角θ下逐小时最大径向风速出现高度Hmax，确定正常做功的高度上限Htop：
Htop＝min(Hlimit,Hmax)
由Hrange和Htop确定正常做功的高度下限Hdown：
Hdown＝Htop-Hrange
步骤603：查询雷达观测高度层列表Hr中位于Hdown和Htop之间的观测层数，记为k，计算逐小时正常做功所对应的平均径向风功率密度Er,mwan：
Figure BDA0003955568970000161
式中，Er,i为Hdown和Htop之间的雷达观测层的径向风功率密度。
步骤604：对全时段逐小时的Er,mwan取算术平均，得到等效风功率密度。
在一具体的实施例中，高空风能资源评价具体如下：
设置等效风功率密度分级表，<200W/m2为1级，200～300W/m2为2级，300～400W/m2为3级，400～500W/m2为4级，500～600W/m2为5级，600～800W/m2为6级，>800W/m2为7级。
倾角θ取30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°统计等效风功率密度，给出高空风能资源评估结论。
所有倾角下的等效风功率密度平均值在2级及以上评估为具备开发价值；所有倾角下的等效风功率密度平均值在4级及以上评估为较好；所有倾角下的等效风功率密度平均值在4级及以上，并且正常做功高度区间Hdown至Htop之间径向风功率密度月际变幅dEr,monthly<30％评估为优。
在本实施例中，在所述生成若干高度层的风况参数后，还包括：
所述风况参数还包括：径向风速；
对每个高度层的风况参数中的时间、径向风速和径向风功率密度进行绘图，获得每个高度层的季节变化折线图与日变化折线图；其中，季节变化折线图的时间以月份为单位，日变化折线图的时间以小时为单位；
计算每个高度层全时段的平均径向风速，并绘制平均径向风速随高度层变化折线图；
根据每个高度层全时段的风向，计算获得风向频率，并绘制风向频率随高度层变化的图；
根据每个高度层的风况参数中的径向风速和径向风功率密度，分别按照每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，获得径向风速频率直方图和径向风功率密度频率直方图。
在一具体的实施例中，基于风况参数，进行时间变化特征分析、频率分布特征分析和空间分布特征分析。
在一具体的实施例中，时间变化特征分析包括：季节变化特征与日变化特征。
季节变化特征应分析各高度层的逐月平均径向风速、逐月平均径向风功率密度，逐月主导风向。
利用单个高度上的逐时径向风速、径向风功率密度统计1～12月份与全时段的平均径向风速Vr,ave1和平均径向风功率密度Er,ave1：
Figure BDA0003955568970000181
Figure BDA0003955568970000182
式中，n为逐小时记录总数。
如图3上图所示，绘制Vr,ave1和Er,ave1的变化折线图，分析月际变幅，最大值、最小值出现的月份，月际变幅dVr,monthly和dEr,monthly表示为：
Figure BDA0003955568970000183
Figure BDA0003955568970000184
式中，m为全时段内的月份总数。
利用单个高度上的逐时风向统计1～12月份与全时段的主导风向Dpre，对1～12月份以及全时段的逐时风向记录按照每22.5°扇区(对应风向为N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW)进行频率统计，频率最高的扇区对应风向为主导风向，分析逐月主导风向的变化。
如图3下图所示，利用单个高度上的逐时径向风速、径向风功率密度统计全时段内0～23时的平均径向风速Vr,ave2和平均径向风功率密度Er,ave2：
Figure BDA0003955568970000191
Figure BDA0003955568970000192
式中，n为逐小时记录总数。绘制Vr,ave2和Er,ave2的变化折线图，分析最大值、最小值出现的时间。
在一具体的实施例中，空间分布特征分析包括：径向风速垂向分布特征与风向垂向分布特征。
利用全时段内各高度层的平均径向风速，绘制平均径向风速随高度的变化折线图，分析3～30m/s风速范围对应的出现高度(如图4左图所示)。
利用全时段内各高度层的N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW风向出现频率，绘制16个风向扇区色斑图，分析不同高度之间的风向偏转(如图4右图所示)。
在一具体的实施例中，频率分布特征分析包括径向风速频率分布与径向风功率密度频率分布；
利用单个高度上全时段内的逐时径向风速，按照每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，分析出现频率在5％以上的风速区间范围；
利用单个高度上全时段内的逐时径向风功率密度，按照对应风速每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，分析出现频率在5％以上的风速区间范围(如图5所示)。
本实施例对获取的风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，并基于预设的风况参数计算公式计算获得径向风功率密度，从而根据径向风功率密度获得风况参数；通过获取高空风能捕获设备的运行时间、运行位置和倾角，在符合运行时间、运行位置和倾角的风况参数中，匹配径向风功率密度达到要求的风向和高度，从而确定了高空风能捕获设备工作的高空风能捕获区域，继而根据高空风能捕获区域对高空风能捕获设备进行控制。本实施例提出了沿系留缆绳方向的径向风速和径向风功率密度，弥补了水平风速和相应风功率密度无法准确反映高空风能捕获的缺陷，同时提出了面向激光测风雷达、风廓线雷达等高空风场观测仪器的资料检验和处理方法，保证了高空风能资源评估的资料可靠性。
实施例二
参见图2，图2是本发明一实施例提供的一种风能捕获位置的确定装置的结构示意图，包括：数据获取模块201、数据预处理模块202、数据计算模块203和结果生成模块204；
所述数据获取模块201，用于获取风能观测资料；
所述数据预处理模块202，用于对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据；
所述数据计算模块203，用于将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度；
所述结果生成模块204，用于获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
作为上述方案的改进，所述数据预处理模块，包括：第一预处理单元、第二预处理单元、第三预处理单元和第四预处理单元；
所述风能观测资料，包括：各高度层的雷达观测资料、各高度层的无线电探空资料和各高度层的气象再分析资料；
根据雷达厂家的信噪比阈值，对所述各高度层的雷达观测资料进行有效性验证，获得各高度层的雷达观测有效资料；
通过所述各高度层的无线电探空资料，对所述各高度层的雷达观测有效资料进行检验，获得各高度层的雷达观测合格资料；其中，每个高度层的无线电探空资料与每个高度层的雷达观测有效资料一一对应；
建立所述各高度层的雷达观测合格资料和所述各高度层的气象再分析资料之间的回归关系式，求解获得各高度层的替代数据；
结合所述各高度层的雷达观测资料和所述各高度层的替代数据，获得各高度层的雷达观测数据。
所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。
本实施例通过数据获取模块获取风能观测资料，将风能观测资料传输至数据预处理模块进行预处理，获得雷达观测数据，将获得的雷达观测数据传输至数据计算模块进行风况参数的计算，获得风况参数，最后通过结果生成模块基于风况参数确认高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而生成高空风能捕获设备的设备控制指令，使得高空风能捕获设备能够位于高空风能捕获区域进行风能的捕获。本实施例相较于现有技术通过分析低空且水平方向的风能区域，通过分析高空且垂直于高空风能捕获设备倾角方向的径向风况，基于分析获得的径向风况确定风能捕获设备的高空风能捕获区域，提高了风能捕获设备捕获风能的效率，进而提升高空风能发电技术的风能捕获位置确定的准确性。
实施例三
参见图7，图7是本发明一实施例提供的终端设备结构示意图。
该实施例的一种终端设备包括：处理器701、存储器702以及存储在所述存储器702中并可在所述处理器701上运行的计算机程序。所述处理器701执行所述计算机程序时实现上述各个风能捕获位置的确定方法在实施例中的步骤，例如图1所示的风能捕获位置的确定方法的所有步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如：图2所示的风能捕获位置的确定装置的所有模块。
另外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上任一实施例所述的风能捕获位置的确定方法。
本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器701可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器701是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分。
所述存储器702可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器701通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器702内的数据，实现所述终端设备的各种功能。所述存储器702可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风能捕获位置的确定方法，其特征在于，包括：
获取风能观测资料；
对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据；
将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度；
获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
2.根据权利要求1所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，所述对所述风能观测资料进行预处理，获得各高度层的雷达观测数据，包括：
所述风能观测资料，包括：各高度层的雷达观测资料、各高度层的无线电探空资料和各高度层的气象再分析资料；
根据雷达厂家的信噪比阈值，对所述各高度层的雷达观测资料进行有效性验证，获得各高度层的雷达观测有效资料；
通过所述各高度层的无线电探空资料，对所述各高度层的雷达观测有效资料进行检验，获得各高度层的雷达观测合格资料；其中，每个高度层的无线电探空资料与每个高度层的雷达观测有效资料一一对应；
建立所述各高度层的雷达观测合格资料和所述各高度层的气象再分析资料之间的回归关系式，求解获得各高度层的替代数据；
结合所述各高度层的雷达观测资料和所述各高度层的替代数据，获得各高度层的雷达观测数据。
3.根据权利要求1所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，所述将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数，具体为：
每个所述高度层的雷达观测数据包括：空气密度、位势高度、气压、水平风速、垂直速度、时间、位置、倾角和风向；
将每个所述高度层的雷达观测数据中的空气密度、位势高度、气压、水平速度和处置速度代入预设的径向风功率密度计算公式中，计算获得风功率密度；其中，所述预设的径向风功率密度计算公式，具体为：
Figure FDA0003955568960000021
式中，ρr为空气插值密度，Vr为径向风速，Er为径向风功率密度，Hr为位势高度中的观测高度，Hm，i和Hm，i-1分别为位势高度中的距离观测高度Hr最近的上、下两个气压层Pm，i和Pm，i-1对应的高度，ρm，i和ρm，i-1分别为气压层Pm，i和Pm，i-1对应的空气密度，Ur为水平风速，Wr为垂直风速；其中，空气密度ρm，i由相同气压层的气温Tm，i和比温Qm，i统计获得，公式为：
Figure FDA0003955568960000022
提取每个所述高度层的雷达观测数据中的时间、位置、倾角和风向，与每个所述高度层计算获得的径向风功率密度结合，生成若干高度层的风况参数。
4.根据权利要求1所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，所述基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数，具体为：
所述设备控制指令包括朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令，所述设备参数包括：朝向、斜率和线体长度；
根据所述高空风能捕获区域的风向生成朝向控制指令，根据所述高空风能捕获区域的倾角生成斜率控制指令，以及根据所述高空风能的倾角和高度层，生成线体控制指令；其中，所述朝向控制指令用于高空风能捕获设备的朝向调整，所述斜率控制指令用于高空风能捕获设备的斜率调整，所述线体控制指令用于高空风能捕获设备的线体长度的调整；
将所述设备控制指令传输至所述高空风能捕获设备中，以使所述高空风能捕获设备在执行朝向控制指令、斜率控制指令和线体控制指令后，能够位于高空风能捕获区域进行风电转化。
5.根据权利要求1所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，在所述生成若干高度层的风况参数之后，还包括：
在高空风能捕获设备设置好运行时间、运行位置、朝向、斜率和线体长度后，基于所述线体长度和所述斜率确定若干观测高度层，根据高空捕获设备确定的运行时间、运行位置、朝向和若干观测高度层，通过所述若干高度层的风况参数，匹配获得高空捕获设备若干观测高度层对应的径向风功率密度，对所述若干观测高度层对应的径向风功率密度进行均值计算，获得等效径向风功率密度；
对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果。
6.根据权利要求5所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，所述对高空风能捕获设备的斜率进行调整，并获得不同斜率对应的等效径向风功率密度，根据所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，获得高空风能捕获设备确定的风能资源的评估结果，具体为：
对高空风能捕获设备的斜率进行调整；其中，斜率可以调整为：tan30°、tan 35°、tan40°、tan 45°、tan 50°、tan 55°和tan 60°；
对所述不同斜率对应的等效径向风功率密度进行资源评价，等效径向风功率密度小于200W/m2为1级，等效径向风功率密度处于200～300W/m2为2级，等效径向风功率密度处于300～400W/m2为3级，等效径向风功率密度处于400～500W/m2为4级，等效径向风功率密度处于500～600W/m2为5级，等效径向风功率密度处于600～800W/m2为6级，等效径向风功率密度大于800W/m2为7级；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于2级时，评估为具备开发价值；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级时，评估为可用资源；
在所有斜率下的等效径向风功率密度大于等于4级，且等效径向风功率对应的工况参数变幅小于变幅阈值时，评估为优势资源。
7.根据权利要求1所述的风能捕获位置的确定方法，其特征在于，在所述生成若干高度层的风况参数后，还包括：
所述风况参数还包括：径向风速；
对每个高度层的风况参数中的时间、径向风速和径向风功率密度进行绘图，获得每个高度层的季节变化折线图与日变化折线图；其中，季节变化折线图的时间以月份为单位，日变化折线图的时间以小时为单位；
计算每个高度层全时段的平均径向风速，并绘制平均径向风速随高度层变化折线图；
根据每个高度层全时段的风向，计算获得风向频率，并绘制风向频率随高度层变化的图；
根据每个高度层的风况参数中的径向风速和径向风功率密度，分别按照每1m/s风速区间统计出现频率，绘制频率直方图，获得径向风速频率直方图和径向风功率密度频率直方图。
8.一种风能捕获位置的确定装置，其特征在于，包括：数据获取模块、数据预处理模块、数据计算模块和结果生成模块；
所述数据获取模块，用于获取风能观测资料；
所述数据预处理模块，用于对所述风能观测资料进行预处理，获得若干高度层的雷达观测数据；
所述数据计算模块，用于将每个所述高度层的雷达观测数据分别代入预设的径向风功率密度计算公式，获得若干高度层的径向风功率密度，并生成若干高度层的风况参数；其中，所述风况参数包括：时间、位置、倾角、风向和径向风功率密度；
所述结果生成模块，用于获取高空风能捕获设备的运行参数，选取时间、位置和功率密度阈值满足运行参数的目标风况参数，提取目标风况参数对应的风向、倾角和高度层，继而确定高空风能捕获设备的高空风能捕获区域，从而基于所述高空风能捕获区域的风向、倾角和高度层生成设备控制指令，将所述设备控制指令传输至高空风能捕获设备，以使所述高空风能捕获设备根据所述设备控制指令调整设备参数；其中，所述运行参数包括：运行时间、运行位置和功率密度阈值。
9.一种计算机终端设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的一种风能捕获位置的确定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的一种风能捕获位置的确定方法。
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