海上风能等级区划研究：瓶颈与对策_郑崇伟.pdf

654 2023 年.第 38 卷.第 4 期*通信作者修改稿收到日期：2023年3月22日科技与社会S&T and Society引用格式：郑崇伟,李崇银.海上风能等级区划研究：瓶颈与对策.中国科学院院刊,2023,38(4):654-665,doi:10.16418/j.issn.1000-3045.20220605002.Zheng C W,Li C Y.Research on offshore wind energy classification:Bottlenecks and countermeasures.Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2023,38(4):654-665,doi:10.16418/j.issn.1000-3045.20220605002.(in Chinese)海上风能等级区划研究：瓶颈与对策郑崇伟1,2 李崇银2*1 海军大连舰艇学院 大连 1160182 中国科学院大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 北京 100029摘要 海上风能等新能源是实现碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）目标的重要支撑，其资源合理等级区划是资源布局和选址的关键依据。文章首先梳理国内外海上风能等级区划的研究进展，剖析传统区划方案需要改进的6个方面：未能兼顾环境风险和成本效益，资源等级的区域差异不显著，难以满足多样化开发需求，在部分月份不适用，对未来风能等级预估不足，区划结果与机理不符。针对上述问题，采用气候统计方法，提出全要素、全时节、全海域、动态自适应的风能等级区划理念，以及绘制风能等级动态图谱的应对措施，以解决资源开发的宏观战略布局、微观精准选址、长期科学规划难题。期望本研究可以推动海上风能的产业化、规模化、自主化的高质量建设，助力我国“双碳”目标实质化、深层化。关键词 双碳，海上风能，风能等级区划，宏观战略布局，微观精准选址DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.20220605002“海洋命运共同体”“21 世纪海上丝绸之路”是为全人类谋福祉的宏伟倡议，在推进过程中能源领域重要性凸显1，是海洋高质量建设的重要方面。如何应对愈发严峻的资源危机已成为全人类共同的责任。2020 年9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中指出，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”。2021 年 9 月，在第七十六届联合国大会一般性辩论上的讲话中指出，“中国将大力支持发展中国家能源绿色低碳发展，不再新建境外煤电项目”。党的二十大报告强调“确保能源安全”“加快规划建设新型能源体系”。2022 年，国家发展和改革委员会联合多部委印发关于推进共建“一带一路”绿色发展的意见“十四五”可再生能源发展规划，强调新能源开发。海上风能具有可再生、储量大、分布广等诸多优点，主要用于海上风力发电（简称“风电”），可为边远海岛、海洋牧场等供电。海上风电是突破能源危机的重要途径，是推动互联互通和展开国际合作的良好契机，也是实现碳达峰、碳中和（以 院刊 655海上风能等级区划研究：瓶颈与对策 Department of Energy(DOE)of the United States.Wind energy resource atlas of the United States.(1987-03-01)2022-08-01.https:/www.nrc.gov/docs/ML0609/ML060940383.pdf.National Renewable Energy Laboratory(NREL).QuikSCAT annual wind power density at 10 m.(2005-10-19)2022-08-01.https:/openei.org/w/index.php?title=File:QuikSCAT-_Annual_Wind_Power_Density_at_10m.pdf&page=1S;%202005.下简称“双碳”）目标的重要支撑，具有一点突破、多极利好的现实意义。掌握资源特征是高效展开海上风电布局的前提，但资源评估领域一直被欧美主导，不利于我国自主高质量发展。国际上，海上风能评估大体经历了 4 个阶段：有限观测资料阶段。Archer 和 Jacobson2利用测站资料计算了全球近岸风能，但无观测资料海域难以展开风能评估。卫星观测资料阶段。遥感技术使得大范围资源评估得以实现。张秀芝和徐经纬3利用卫星资料计算了中国近海风功率密度（WPD）。数值模拟阶段。数值模拟使得无观测资料海域的风能评估得以实现。周荣卫等4利用 MM5/Calmet 模式对我国近海的风能展开了模拟分析，取得很好成果。多资料融合阶段。朱蓉等5利用风能数据和测风塔数据，详查了我国陆地和近海的风能，对于资源开发具有重要价值。前人在资源时空特征分析方面作了大量贡献，但在海上风电的布局和选址方面仍面临瓶颈。合理的资源等级区划是“双碳”目标下海洋新能源宏观布局的决策的依据，是海上风电精准选址的核心所在。但传统的风能等级区划方案只考虑了资源特征，未兼顾环境风险和成本效益，且区划结果固定不变，导致出现资源等级区域差异不显著、难以满足多样化任务需求、部分月份不适用等一系列问题。以应对上述问题为牵引，本文首先梳理国内外海上风能等级区划的研究进展，剖析传统方案需要改进的地方，最后提出对策建议，以期推动海上风电的产业化、规模化，助力“双碳”目标实现。1 海上风能等级区划研究进展根据风能等级区划方案考虑要素的完善程度，国内外的海上风能等级区划主要划分为 3 个阶段初期探索阶段、中期发展阶段和相对成熟阶段。各阶段取得的主要成果、优势与不足总结如下。1.1 初级探索阶段1981 年，世界气象组织发表了全球风能分布图 6，按 WPD 和风速将风能分为 10 个等级。1986 年，美国能源部（DOE）根据 WPD 和风速将风能划分为 7 个等级（表 1）。2005 年，美国国家可再生能源实验室（NREL）根据 WPD 对全球海上风能展开了区划，发现南北半球西风带属于最优的 7 级风能，中低纬海域为 46 级风能。相关研究主要依据 WPD 分别对中国广东近海、辽宁沿海、连云港近海，以及巴基斯坦东南部、中国东部海域、中国近海的风能展开了区划，对于海上风能开发起到了重要推动作用7-12。整体来看，早期风能等级区划采用的指标比较单一，主要考虑 WPD 和风速。1.2 中期发展阶段随着评估能力提升，在风能等级区划时可以考虑更多指标。朱瑞兆和薛桁13、陈千盛14考虑 WPD、有效风力时数、极值风速，分别展开了我国陆地、福建沿海的风能等级区划。国家发展和改革委员会曾提出一套风能等级区划方案15，上述工作为国家风能宏观布局提供了支撑。2012 年，Zheng 等16综合 DOE 和NDRC 的风能等级区划方案15,17,18（表 2），展开了中国海域风能等级区划。2014 年，Zheng 和 Pan19利用表 2 的方案，展开了全球海上风能等级区划（图 1），为海上风电的宏观布局提供了参考。与美国国家可再生能源实验室（NREL）根据单一的 WPD 展开风能等级区划相比，Zheng 和 Pan19在全球海上风能等级区划时考虑了风速、WPD、有效风力时数 3 个指标。2015 年，栗冬慧20依据 WPD、有效风力时数展开了中656 2023 年.第 38 卷.第 4 期科技与社会表1 美国能源部的风能等级区划方案Table 1 Wind energy classification scheme of DOE风能等级10 m 高度50 m 高度风功率密度（W/m2）风速（m/s）风功率密度（W/m2）风速（m/s）1010004.4020005.621001504.45.12003005.66.431502005.15.63004006.47.042002505.66.04005007.07.552503006.06.45006007.58.063004006.47.06008008.08.8 74001 0007.09.48002 0008.811.9表2 2012年Zheng 等16综合国家发展和改革委员会和美国能源部方案得到的风能等级区划方案15,17,18Table 2 Wind energy classification scheme obtained by Zheng et al.16 by comprehensively considering the methods from DOE and NDRC15,17,18风能等级年平均风速（m/s）年平均风功率密度（W/m2）有效时数（h）丰富程度方法1方法210.04.4100505 000丰富区56.06.425030025030066.47.030040030040077.09.4 4001 000 4001 000图1 2014 年Zheng 和 Pan19利用本文表 2 方案得到的全球海域风能等级区划图Figure 1 Classification of global offshore wind energy produced by Zheng and Pan in 2014 by using scheme in Table 2 1960oN30oN030oS60oS 0 60oE 120oE 180 120oW 60oW 01 级 2 级 3 级 4 级 5 级 6 级 7 级 院刊 657海上风能等级区划研究：瓶颈与对策国海域风能等级区划。2017 年，Zheng 等21提出全时节风能等级区划新理念（各月的风能等级区划），并以全球海域作为实例研究。1.3 相对成熟阶段随着风能可利用率和能级频率被定义16,22,23，这两个关键指标被应用于风能等级区划。2018 年，Zheng等24利用 Delphi 法，构建了一套能兼顾资源特征、环境风险、成本效益的风能等级区划方案（表 3）。技术路线为：要素选取。包括 WPD、有效风速频率（EWSO）、富集率（RLO）、水深（WD）、离岸距离（DC）、极值风速（EWS）、变异系数（Cv）、月变化指数（Mv）8 个关键要素。要素的标准化处理。利用风场、水深、海岸线数据，计算得到 WPD、EWSO、RLO、WD、DC、EWS、Cv、Mv，采用极差变换法将上述要素标准化处理。权重评估。邀请资源评估领域的知名专家评估各要素在风能开发中的权重。风能等级区划。基于各要素的权重和标准化后的数值，计算得到风能等级期望值，将其划分为 7 个等级（表 3），从而实现风能等级区划（图 2）。与传统的风能等级区划结果相比19，新方案实现了风能资源要素的充分考虑，在展现风能等级的区域差异方面得到显著提升。为了对比传统和新风能等级区划方案，将图 1 和图 2 中的印度洋 20S13S 海域的区划结果放大（图 3）。发现两者存在明显差异：该海域在新方案中属于 4 级风能（图 3a），而在 Zheng 和 Pan19的传统方案中则属于 7 级风能（图 3b），在 NREL的传统方案中也属于 7 级风能。究竟哪个方案更合理？从“三风四带”分布特征来看，该海域属于东南信风带，为风速相对大值区。但该海域的风力强度远远无法与南半球西风带相比。显然，传统方案将印度洋 20S13S 海域和南半球西风带海域共同划为最高的 7 级风能并不合理，Zheng 等的新方案24更符合机理。在优化了全球海域风能宏观区划后，Zheng 等25提出微观资源等级区划的理念，并以新西兰海域作为实例（图 4a），解决了如何展现资源等级区域差异的难题。Zheng 等25,26指出先期的风能等级区划属于常规区划，难以满足多样化开发需求，为此提出了动态自适应风能等级区划的理念，被国内外同行大量采用27-38。主要设定了商业开发（关注成本）、应急供电（关注