美国加利福尼亚州斯坦福大学土水和环境工程系外文翻译资料

 2022-11-26 19:53:12

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全球风能评估

Cristina L. Archer 和 Mark Z. Jacobson

美国加利福尼亚州斯坦福大学土水和环境工程系

2004年9月20日收稿，2005年3月14日改稿，2005年3月29日录稿，2005年6月30日出版。

本文研究目标是首次依据数据量化全球潜在的风能。风速计算风机高度80m，轮毂直径77m，涡轮功率为1500kw。因为相关地几个观测可以在80m高度进行，因此可通过最小二乘法外推法的利用和修正，用10m高度的风速和探空网站点的数据估算80m高度的风速。用肯尼迪航天中心（佛罗里达州）)观测塔的数据对估算结果进行验证。总体上，约13%的报道站点的80m高度的年平均风速（例如，3级或更高风能），可认为适合低成本的风力发电。这种估算是保守的。在所有大陆中，北美有数量最多的级别的站点，南极洲的比例最大，为60%。有巨大潜在风能的地区包括，沿北海的北欧地区、南美大陆南端、澳大利亚的塔斯马尼亚岛、五大湖地区、北美的东北和西北海岸。观测资料显示，全球的海上的10m高度的平均风速是（6级）；陆上的10m高度的平均风速为。海上和陆上的80m高度的风速计算值分别为（6级）和（1级）。陆地上，80m高度的白天的风速观测值（）比夜间的观测值（）稍大；120m高度平均来说，夜间的风速增大大于白天的风速。假设来自所有站点的统计资料代表全球风分布，那么全球风能在80m高度的平均年风速的地点在2000年，最大达72TW(~4,000Mtoe百万吨标准油)。这些风能即使只有约20%被获取，也可满足100%的全球能量的需求满足所有目的油用量（6995~10177 Mtoe）和超过7倍的全世界电量需求（1.6~1.8TW）。为实现这一可能性，几个实际问题需要被攻克。

引用： Archer. C. L.和M. Z. Jacobson (2005), 全球风能评估, J. Geophys. Res., 110, doi: 10.1029/2004JD005462.

1 引言

过去5年间，全球风能的平均增长率为每年34%。就其本身而言，风能不仅是增长最快的可利用的再生能源技术，也是增长最快的电能资源[AWEA, 2004; EIA, 2004]。总体上，截止2003年底，风电装机容量约为39000MW，其中德国为14609MW（37%），美国为6374MW（16%），西班牙为6202MW（16%），丹麦为3110MW（8%）。丹麦和德国当前以风能供电占各自的电能供应的20%和6%[1]。

尽管在过去的几十年间，风能的成本有实质上地减少，且安装风电机的增长率很高，但占总能源的比率很低。事实上，风能发电仅占全世界电能的0.54%[13]。大规模开展风能发电的两个阻碍是：（1）风的间歇性，（2）识别有好的风资源的地点存在困难，尤其是在发展中国家。第一个问题可以通过将众多的风电场连接起来解决。这种方法可以从实质上消除低风速事件，从而减小风能的间歇性[3]。对于集水区来说，风速与时间和空间的相关性显著减小，该方法的优点更大。例如，Czisch 和Ernst[7]认为部分的欧洲和北非的风电场网可以提供全欧洲70%的电量需求。即使把传送和存储的成本包括在内，他们估算风能成本不超过5c/kWh。本文主要关注第二个问题，例如，最优选址。全球风能在80m高度的修正后的最小二乘法获取[3]，其结果用来评估全球潜在风能。

2 方法

用1998~2002年间的，来自国家气候数据中心[NCDC, 2004]和预报系统实验室[14]的风速和温度资料生成地图和统计数据用于检测2000年的全球风能。两种类型的数据要考虑：来自7753个地面站点和446个探空站点的资料。（尽管观测资料是从490个探空站和8071个地面站获得的，但是只有一年中至少20个有效读数的站点会在本文中用到。）446个探空站中，414个站点的一些观测数据来自在海拔80mplusmn;20m的地面站。所有低于200m（高于20m）的观测数据中，约28%的数据在80mplusmn;20m高度。地面站（包括浮标观测）仅提供了标准海拔约10m高度的日均风速资料。

为获得80m风速的所有站点（例如，探空站、地面站、浮标站）的资料，介绍一个经修正后的最小二乘法。该方法有三步：

1.对于每个探空站，用观测资料产生6个拟合曲线表示随高度变化的风速差异。最优的拟合曲线（例如：观测和计算的风速间具有最小误差的拟合曲线）要被识别出来，之后用最小二乘参数获取该曲线后保存。

2.对于地面站，5个具有空间上最近的探空站的站点会被挑选出来。之后，来自地面站的V10和来自5个探空站的最优拟合参数用于计算5个为V80的地面站的估算值。

3.最后，地面站的V80作为加权平均用于5个新的遵从步骤2的V80，其中加权表示地面站与对应探空站距离的平方的反比。

每个小时获得的资料需重复以上步骤。首先，提及Archer和Jacobson[3]介绍的4个拟合曲线：

1. LS对数率：

与LS粗糙度一起使用：

2. LS幂律：

与LS摩擦系数一起使用：

3.当时，两个参数的对数率形式：

参数公式为：

4.当风速高度递减时，两个参数的线性形式为：

参数公式为：

D的形式与Archer和Jacobson[3]中提及到的，是利用经 点的线段，再求出LS的斜率。

以上等式中，是海拔高度为z的风速（也表示，当，从海拔高度获得的廓线，其中），是参考海拔高度（一般为10m高度），是高度上的风速大小（也表示V10）；和分别为摩擦系数和粗糙度。LS的下标表示通过LS方法获得的值。以上曲线的差异更多的细节部分可在Archer[2]中找到。

本文介绍了两种新的拟合曲线。第一种是力功法forced power-law，只有在廓线的第二个点高于80m，同时LS估计值为V80时，可以使用该曲线。其中LS估计值是通过4个前面的拟合曲线大于，当观测风速在高度时，该曲线是不切合实际的。该幂律廓线是通过三个点获得的：0m，和；从该曲线获得的V80总是设置为小于。V80的估算是通过等式（3）计算的：

摩擦系数的计算方法如下;

当廓线在高度以上随高度变化几乎守恒，但在高度以下有明显风速随高度递增现象时，最优拟合通常是LS对数曲线，因为它会比其他LS曲线更快达到渐进值。然而，它在低廓线的部分会有许多切变，最终使得V80过大。为了防止该值过大，本文介绍了一个新曲线，换句话说是强迫线性廓线。该曲线只有在满足以下条件时才可使用：

当V80的估算从以下式获得时，其值要比其他LS拟合方法得到的值低：

经简化后，LS方法是关于L的运算（公式为（1），（3），（5），（7），（9）或（13）），如此，应用于,计算，得到有价值站V80的最佳估算值，鉴于LS 参数从附近的一个探空站获得。如果K是附近存在的探空站个数（本文K=5），那么：

其中是地面站和一个附近探空站k距离的半径。

LS方法的其他变化包括更严格的质量控制检查。这些检查用于实现所有目标为获取保守结果，即使它的精确度较低。V10值在gt;25m/s时是不合格的。V80只有在le;3*V10（除当V10=0外），或者，换句话说，是切变时。仅当属实时，得到LS特征值，据Jacobson [16]的论文数据。特别是当摩擦系数的上限值是0.53，地表粗糙度的上限值为3.5m。值得注意的是在LS方法中不考虑风向。尽管风向随高度的改变会对一些结果产生影响，但这些效果不是重要的，尤其是使用77-m跨度的涡轮叶片时。

3 结果

这一部分，主要讨论几种类型的分析。首先，LS方法是应用到所有探空站点，以此得到LS参数，这些参数会应用到地面站点，从而得到全球80m的风速统计资料。第二，LS法情况，由比较计算与观测的探空站和地面站风廓线，以及佛罗里达肯尼迪航天中心附近23个观测塔网的风廓线，而估算出来。最后，展示一个关于计算全球风能的方法。

3.1 全球空间分布

本文获取的是5年的风观测资料。大多数的统计资料是只用于2000年，与Archer和Jacobson[3]相一致。2000年代表1998-2002年，这5年的时间。由图1a可见，2000年的全球平均风速在任何高度都在5年平均值的-0.6和 1.6%之间。温度廓线和露点温度廓线在图1b和1c已完整的展示出。从图中可看出，2000年比5年均值稍稍的冷和干燥一些。以上图是从平均探测资料得到的，这些资料是在429个站点5年有效读数 plusmn;20hPa气压等价值中得出的。值得注意的是，这些全球廓线是不可避免偏向于中纬度的，因为中纬度的探空站点数比其他任何地方都多。

总体上，在白天和夜晚的风速、温度和露点的平均廓线可在图1d中看到。在任何海拔高度，风速值在白天都比夜晚低，然而温度和露点值在白天会比夜晚大，除在海拔200-100hPa高度，这一区域没有显著差异外。急流可以清晰在300和200hPa之间看到，这里风速存在最大值。对流层顶大概在100hPa位置，是温度和露点随高度开始增加的位置。

图2可知，2000年，用LS方法获得探空站的全球V80有20或者更多有效读数。根据作者的了解，这是迄今为止首次绘制全球80m的风能。空间覆盖率在美国、加拿大南部和中欧为优秀；中国东部、西俄罗斯和澳大利亚沿海为良好；非洲和南极洲大陆为最差，尤其是其中部。

地图显示绝大多数站点级别为2或者更低（90%，表1）。许多存在可观的潜藏风能的站点，例如：级别为3或更高，其位置靠近海岸，例如阿拉斯加州和北欧。总体而言，LS方法在全球的应用显示，10.1%的探空站点在80m高度的级别为3或者级别更高，因此很合适用来风力发电。

图1 全球垂直廓线：2000年与5年平均的差异为（1）风速、（2）气温和（3）露点温度；（4）2000年的平均气温、露点温度和风速（白天和夜间）

图三所示，全球所有站点中的存在V10观测有20个或更多的有效读数站点。这一地图可用于评估世界80m高的风速地图（图2）。因为地表多风的地点应与80m高多风地点存在联系。事实上，两张地图基本上给出了同样的风能级别（例如：东南亚和澳大利亚）。风切变在有着相似地表情况的地点是不同的，因此使得80m风能级别存在差异。如表1所示，75.6%（75.4%）的探空站点在80m（10m）高的风能等级为1级。在80m高的站点等级为3级或更高的风能等级数量（10.1%）比10m高的风能等级数量（14.7%）少。这表明，LS方法在直接应用到垂直廓线中产生的值会较保守。值得注意的是，10m高度（570）比80m高度的站点更多是因为不是所有探空站点都会给出完整的风垂直廓线。

表2给出风切变，表明每增高10m的风能等级变化，站点在80m高和10m高具有相同或有差异的等级数量。75.3%的站点给出80m高和10m高具有相同的潜在风能。这意味着，第一个近似是，一个站点在10m存在较好的潜藏风能，也会在80m高存在较好的潜藏风能。然而，就已给出的10m高风能等级，LS方法给出的80m高风能等级的评估结果会低于10m高风能等级（17.9%比6.7%）。这再一次证明了LS方法是一个保守的方法。

图2 80m高风速外推和2000年全年20个或更多有效读数的探空站点地图

图3 与图2相同，所观测的是10m高风速

将LS方法应用到7753个地面站点（步骤2和3）时，对于采用的探空站点就其每个风能级别的百分比而言，LS方法给出的结果使相似的。根据表1，约76%的地面站点级别为1和约13%给出在80m高等级的潜藏风能量是客观的（3级或更高）。但是，这些值比10m较大，与探空站得到的结论相反。事实上，地面站使用LS法，80m 高度预测就特定的10 m级通常偏低6.9%而言，则偏高10.6%。这一发现潜在承认了LS方法的保守性质，应在接下来的部分仔细分析。

从图2中很难看出在7753个地面站点和446个探空站点给出的V80的相似性，给出以下几个区域的结果：欧洲、澳大利亚、南美、北美、东南亚、亚洲中北部和非洲。比较早前工作，仅限于发表的研究，以及公众免费获得的报告。

表1 2000年，80m高和10m高各等级的地面和探空站点数量和百分比，分布全球的站点至少有20 个有效测量数据。

表2 探空站和地面站80m高的风能等级等于、大于或小于10m高风能等级，列出10m高风能等级，站点有20个或更多有效读数。

图4 2000年，欧洲地面站和探空站风速80m高外推和平均风速图，20个或更多有效读数

欧洲情况可见图4。Troen和Petersen[24]以前绘制了欧洲的风能资源情况。以上两张图都显示欧洲最具有潜藏风能的地点是东北海岸，尤其是法国，比利时，荷兰，德国和丹麦。英国的海岸和北海的岛屿存在的站点的级别主要为7。但是

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