+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

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:T K511 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399,895kW,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 EN ERGIAE SOLARIS SINICA

Vol124,No14

Aug.,2003

收稿日期:2002204208

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R G B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GU IDE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u p(Δz p)为:

u p(Δz p)=u0(Δz p)+Δu T+Δu R

其中u0(Δz p)———观测点的风速;Δu T———地形起伏对风速的影响;Δu R———粗糙度变化对风速的影响。

Δu

T

由下式计算:

Δu

T=

Δsu0(Δz)

Δs=ΔS

max

exp(-AΔz/L)

ΔS

max

=B h/L

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