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风能是一种洁净、无污染、可再生的能源,合理地开发利用风能资源是有效增加能源供应能力,实现能源可持续发展的重要措施。酒泉地区位于甘肃省河西走廊西端,是中国风能资源丰富的地区之一,境内的瓜州县被称为“世界风库”,玉门市被称为“风口”。气象部门最新风能资源评估结果表明,酒泉风能资源总储量为1.5亿kW,可开发量在4000万kW以上,可利用面积近1万km2。酒泉千万千瓦级风电基地已经开工建设。但是目前在风电场的建设中,尤其在风电场的选址中存在一定的盲目性。这种盲目性是由于没有精细化的风能资源评价结果造成的。仅靠现有气象站的空间分布,无法做到选址的优化。利用数值模拟技术就可以有效减少这种盲目性。由于酒泉地区地形较为复杂,南部为祁连山脉,北部为北山山系,中部为平坦的戈壁荒滩,形成两山夹一谷的地形,所以以往的模式对风速模拟误差相对较大。
本文试图运用WRF模式实现对酒泉地区的风能资源进行精细化的数值模拟,主要进行了如下四个方面的研究:(一)以北大桥13#测风塔为例,对酒泉地区的风况进行了分析。研究表明10m高度平均风速为6m/s,平均风功率密度为250W/m2,主风向随季节变化较小,主要集中于西西南-西西北(WSW-WNW)和东北-东(NE-E)扇区内,但各扇区所占频率随季节有明显变化;(二)基于WRF模式,采用不同驱动场,对不同组合的地面层、陆面过程和行星边界层参数化方案进行风速模拟实验,然后对各组实验的小时风速模拟情况和风速模拟平均值进行了比较评估,选出最适合的一组便于后续使用,同时还考虑了同化技术的影响。结果表明:在酒泉地区的风速模拟中,选用FNL再分析资料作为驱动场比T639资料的要好。同时,小时风速模拟中,选用Monin-Obukhov(Mo)地面层参数化方案、RUC陆面过程参数化方案和YSU行星边界层参数化方案组合较好,但在风能资源评估中,建议选用Monin_Obukhov(Janjic Eta)地面层参数化方案、Noah陆面过程参数化方案、MYJ边界层参数化方案组合或Mo地面层参数化方案、Noah陆面过程参数化方案和YSU行星边界层参数化方案组合。同化技术可一定程度上提高模式的模拟结果;(三)运用WRF模式实现对酒泉地区及其风电基地高分辨率风能资源的数值模拟。结果表明;在模拟区域内主要有三个风速和风功率密度大值中心;该区域大部分地区冬季风速和风功率密度最大,夏季较小;经比较,模拟的风功率密度与实际观测结果较为一致。(四)运用GIS技术对酒泉地区风能资源开发优势度进行了分析。结果发现:(1)研究区域具有非常丰富的风能资源,较丰富区以上的地区的面积达到研究区域的一半,(2)丰富风能资源区与该地区的地形有很好的对应关系,主要处于有地形狭口效应的区域;(3)最有利于风能资源开发的区域在玉门镇以南至昌马,这一块区域地形平坦,风能资源丰富,又是戈壁,非常适合建设大型风力发电场。
这些研究较好的显示了酒泉地区风能资源及其开发优势度的分布情况,从而为酒泉地区风电场的微观选址提供支撑。