+卫星遥感地理信息与数值模拟应用于风能资源综合评估新.pdf

收稿日期 2002204208 文章编号 025420096 2003 0420536204 卫星遥感地理信息与数值模拟应用于 风能资源综合评估新尝试 杨振斌1 2 薛 桁2 王茂新2 袁春红2 罗林明3 1 北京大学物理学院 北京100871 2 中国气象科学研究院 北京100081 3 中国气象局培训中心 北京100081 摘 要 该文提出一套综合的应用于风能资源评估的分析系统 应用卫星遥感反演出地形 地貌特征 融合地理信息数 字高程数据 获得三维TM图像 在三维地形上进行风场的数值模拟和分析 得到该区域风能分布图 用以进行风电场宏 观选址 根据宏观选址结果 通过在备选风电场进行风实测 应用研制的风能资源分析软件对该实测资料进行进一步地 可行性分析 为风电场的开发作好前期的准备工作 关键词 风电场选址 卫星遥感 地理信息 风能资源分析 中图分类号 TK511 文献标识码 A 0 前 言 回顾我国风力发电事业的发展 近20年来作为 一种可再生能源 风能利用得到空前的重视和发展 其开发利用技术最为成熟 具有巨大发展潜力 我 国正处于经济迅猛发展时期 资源和能源的需求急 剧增长 常规能源生产带来的环境问题已不容忽视 迫切需要加强洁净能源的开发 改善能源结构 利 用可再生能源 减轻环境污染 成为我国能源工业关 注的热点 1 据估算 我国的陆上风能资源总储量 为32126 1011W 2 风能资源丰富 目前 风电价 格已开始下降 3 因此开发和利用风能资源对于国 民经济发展具有十分重要的意义 到2001年底全 国风电总装机容量达到399 895 kW 风能资源开发 正以前所未有的速度迅猛发展 随着我国今后大规 模发展风力发电的必然趋势 对风电场的选址和风 资源评估将成为越来越重要的工作 以往对大范围 乃至局部小面积的风资源普查基本上是基于对风资 源资料的收集 计算 凭借一定的原则和经验 判断 一个区域风能资源的地理分布 在此基础上进行作 出风电场场址的初步选定 由于这种分布图带有较 强的专业性 对大量的风电人员显得不直观且较难 与实际地形相联系 目前迫切需要解决的问题 就 是瞄准国际前沿科技手段 应用卫星遥感技术 地理 信息系统及中小尺度气象学等相关新技术研究成 果 研制我国新一代风电场选址技术 包括适合我国 特点的风电场选址资源评估软件 为了解决这一问题 我们进行了卫星遥感资料 反演 中小尺度数值模拟 风电场风能资源分析软件 研制等工作 基于这些研究成果 初步研制出卫星遥 感地理信息和风能资源嵌套宏观评估 以及应用实 测资料进行风能资源分析软件 为我国今后风能资 源开发提供了一个行之有效的手段 1 卫星遥感资料的应用 评估中小尺度风能资源 确定备选风电场 必须 使用分辨率高的资源卫星 本文采用了地表空间分 辨率达到30m的美国陆地资源卫星Landsat TM 简 称TM 有7个波段 光谱分辨率高 能识别 解译 各种地物 对计算粗糙度变化引起的风速变化能提 供精确的地物特征 如图1所示 因地球曲率等因素的影响 在星下轨迹两侧几 何变形严重 无法直接应用 必须进行图象重采样和 投影变换 4 用重采样公式分别沿着两个坐标轴进行重采样 即可校正图像的扭曲 对于风能资源评估来说 对时 效性要求不强 速度可以慢一些 但对精度要求很高 因而重采样采用精度最高的三次卷积重采样法 第24卷 第4期 2003年8月 太 阳 能 学 报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol124 No14 Aug 2003 图1 广东省东部地表特征 Fig 1 The surface feathers in eastern Guangdong province China 重采样的通用公式为 f x y h u u v v g u v 1 其中 f为重采样后的输出图像强度 g为原始 图像强度 h为权重函数 x y 为输出图像空间的 网格点坐标 三次卷积重采样法 h x 1 2 x 2 x 3 X 1 4 8 x 5 x 2 x 3 1 x 2 0 2 x 2 这说明在方向上要重采样一个像元 共涉及到 4个像元及其权重 在方向也是如此 因此在二维 图像上 要重采样一个像元共需原始图像16个像元 参加计算 精度很高 经过重采样后 即可消除图像的扭曲现象 但 在纬圈方向特别是在高纬度地区仍有显著的变形 应根据需要进行适当投影变换 将TM的第4 3 2波段附加上RGB三原色 即 形成最常用的TM标准假彩色合成图像 直接合 成的图像 虽然还有大量的有用信息 往往对比度 差 模糊不清 要经过复杂的增强处理 把有用的信 息清楚的提取出来 将地理信息的数字高程模型 DEM 与TM图 像数据融合 得到3维的TM图像 如图 2 从经过增强处理并实现了3维立体显示的广东 图2 广东省东部地区3维TM图像 Fig 2 Three2dimensional TM image in eastern Guangdong province China 惠来的TM标准假彩色合成图像上 可以清楚看到 区域内的地貌特征 植被 城镇 河流 水库等地物 立地条件一目了然 为进一步进行该区域的风场模 拟提供了基础 2 中小尺度数值模拟 由于地形对风速的影响 我国陆地上风能资源 相对丰富的地区一般地形比较复杂 在风电场开发 的前期阶段 必须摸清风电场的风能资源状况 另 外 风电场的范围一般比较大 能够进行实地测风点 很有限 考虑到地形 地表粗糙度 障碍物等因素对 风速的影响 利用有限点测风资料为基础 采用数值 模拟可以对一定范围内风速大小进行客观定量的分 析 为全面了解这一区域风速的分布状况和风电场 的风能资源情况提供有效的依据 本系统利用加拿大Walmsley等 5 人研制的 GUIDE简单模式入手 考虑不同地形和地表粗糙度 对风速的影响 模拟一个中小尺度区域内风速分布 状况 6 模拟点P处的风速up zp 为 up zp u0 zp uT uR 其中u0 zp 观测点的风速 uT 地 形起伏对风速的影响 uR 粗糙度变化对风速 的影响 uT由下式计算 uT su0 z s Smaxexp A z L Smax Bh L 735 4期 杨振斌等 卫星遥感地理信息与数值模拟应用于风能资源综合评估新尝试 h 地形相对高度 L 地形尺度 z 地形高度变化 A B为地形参数 uR计算公式如下 uR ln z z0 ln i z0u ln i z0 ln z z0u 1 u0 z z i 其中 z0 预报点粗糙度 z0u 上风向位置的 粗糙度 r 风距 从地面特征变化处计算的下风 方距离 i 内边界层高度 本文应用本模式对广东省东部区域内的风场状 况进行了模拟 见图3 图3 广东省东部地区模拟风场 Fig 3 Surface wind field from the numerical model 3 卫星遥感地理信息综合评估风能资源 将风能资源模拟的结果图像与TM三维图像 叠加 形成合成图像 如图4 图4 风能资源与TM三维图像合成图 Fig 4 Wind map Superimposed wind field over the 32dimension TM image 从图像可以看出 在广东南澳 惠来西北部山脉 的顶部及其沿海 潮阳沿海 福建的东山岛等地风能 资源丰富 这为宏观上评价一地风能资源状况提供 有效的手段 4 风能资源分析软件 为了进一步确定风电场的建场场址 在风电场 的可行性研究阶段 首先还需要进行备选场址的补 充风实测 在此基础上准确的风能资源分析是关系 到项目成败与最终效益关键的一步 为了研制适合我国特点的风电场选址资源评估 软件 充分考虑海陆分布对风电场风速的影响 在软 件中强调了海陆分布对风速影响的订正 根据薛桁 等人的研究成果 6 以及我国不同海陆影响范围下 的风速观测资料 分析得到具有典型意义的风速随 距海岸远近的衰减关系 y 1 93 x 4 795 0 656 0 45 其中 y为某点的平均风速与海边风速之比 x为海 岸与该点的垂直距离 在本软件中 风向按十六个方位进行分析 增加 了若干重要的参数计算和相关图 表的演示 本软 件设计流程为 首先考虑场地受海陆分布的影响 将 已知的观测资料订正到所在场地的范围上来 然后 计算各种需要的参数 包括 场地的空气密度 场地 年平均风速 韦尔分布参数C和K值 风的总功率 密度 有效风功率密度 有效时数 各风向下的风频 及各风向下的风能及按韦布尔分布作出的风功率密 度 有效风功率密度及有效时数 按给定的待选风电 机组功率曲线估算该风电场的年发电量等 该软件 还可给出风速和风功率的月变化图 风速和风功率 全年及各月的日变化图 各等级风速的风频直方图 风速的分布曲线 全年及各月的风向玫瑰图以及全 年与各月的风能玫瑰图等 5 结论 本文所进行的工作在国内为首次进行 是一个 将卫星遥感技术 地理信息系统及复杂地形上的风 实测与风场模拟相嵌套 将新的科研成果应用于风 场的资源评估和选址提出的新的思路和方法 该工 作 1 解决了几何校正 投影转换 资源卫星图幅 的高程数据配准 浮雕图像显示及三维立体显示技 术等关键技术难题 在此基础上做到卫星数据与数 835 太 阳 能 学 报 24卷 字高程数据 DEM数据 的位置精配准 2 初步探讨了考虑地面粗糙度影响 风随高度 的垂直变化影响以及考虑到不同的盛行风方向等因 素 对复杂地形上空风的变化进行了模拟 3 风能资源分析软件 充分考虑了海陆分布对 风速的影响 在实测风资料的基础上 可以计算分析 反映该地风资源状况的各种参数 显示反映风速 风 功率变化的各种图表 进一步发展考虑动力 热力 影响的流场小尺度模式 进行风电场的微观选址 风 机布局 将可以更好地完善该风能资源综合评估 系统 本系统在建立发展我国自己的风电场选址和风 能资源评估技术方面作出了有益的尝试 为今后风 电场评估客观化奠定了可贵的基础 使资源评估可视化和具体化 对我国今后大规 模发展风力发电具有重要意义 通过系统的进一步 完善 该技术将成为今后风力发电场选址的重要手 段 具有十分广阔的推广应用前景 参考文献 1 贺德馨 中国风能开发利用现状与展望 J 太阳能学 报 1999 特刊 144 149 2 Xue Heng Zhu Ruizhao Yang Zhenbin et al Assessment of wind energy reserves in China J Acta Energiae So2 laris Sinica 2001 22 2 167 170 3 施鹏飞 产业化发展最快的清洁能源技术 风力发电 J 太阳能学报 1999 特刊 150 157 4 王茂新等 关于NOAA AVHRR图像重采样及投影方 法的研究 J 中国图形图像学报 1997 2 1 38 42 5 Walmsley J L Taylor P A Salmon J R Simple guidelines for estimating wind speed variations due to small2scale to2 pographic features2an update J Climatol Bull 1989 23 1 3 14 6 Yuan Chunhong Yang Zhenbin Xue Heng The numeri2 cal simulation on wind speed over complex topography J Acta Energiae Solaris Sinica 2002 23 2 374 377 7 Xue Heng Zhu Ruizhao Yang Zhenbin Study on land wind variation in coastal area J Acta Energiae Solaris Sinica 2002 23 2 207 210 THE SYNTHETIC UTILITY OF REMOTE SENSING GIS AND NUMERICAL MODELING IN ASSESSMENT OF WIND ENERGY RESOURCE Yang Zhenbin1 2 Xue Heng2 Wang Maoxin2 Yuan Chunhong2 Luo Linming3 1 Atmospheric Department Physics College Peking University Beijing100871 Chian 2 Chinese Academy of Meteorological Sciences Beijing100081 China 3 China Meteorological Administration Training Centre Beiming100081 Chian Abstract A synthetic analysis system for wind energy