2006年前后，我国南方新建的一些风电场出现了一些意想不到的情况：附近明明有较强的大风，其中一些风机却纹丝不动，并不工作。

 

为什么这些风机能够“抵御”强风呢？风能专家现场考察后发现，原因很简单——尽管风能强度很高，但由于风向不断变化，一些位置的风机附近湍流度很大，因此不仅不能让风机发电，甚至可能还会损坏风机。

 

为了应对这个新问题，国家“863”计划专门设立了相应的课题：“风电场微观选址技术”。当时，刚刚从日本回国的清华大学航天航空学院教授张兴成功申请到了这个课题。

 

记者了解到，该课题日前已经成功结题，并自主开发出我国第一套风电场微观选址软件系统。这套系统能够优化风机的放置位置，实现发电量的最大化。过去，由于没有这方面的工具，我国很多风场的风机摆放位置并不科学。

 

张兴在接受《科学时报》记者采访时表示：“实际上风很乱很复杂，一年四季都在变，360度各个角度的来风都有不同概率。有些小山峰上风很大，但是即使只离开10米远就可能不能发电。因此，风机的摆放位置非常讲究，只有实现空间和时间的最优组合，才能达到最大风力发电量。”

 

在风电装机容量快速增加的中国，这套软件的商业价值不言而喻。

 

 

风电场微观选址是指在对一个地区的风能资源进行全面分析之后，通过软件计算出风电场内风机排放的最佳位置，以使得整个风电场的总发电量实现最优。

 

该课题主要研究人员、清华大学航天航空学院博士生宋梦譞向记者介绍，建风电场首先要了解当地的风力特征，而进行风电场选址首先必须得到该地区的地形和气象数据。这些数据可以通过卫星遥感、等高线地图、测风塔或者气象站数据得到。然后根据计算流体力学方法获得整个地区不同高度空间的风能资源情况。

 

张兴解释说，现有的气象数据可以了解某个地区的大致风能情况，但是具体到每一个地点的情况就不清楚了，比如一栋楼房的房顶、房后、各个角落的风速、风向、湍流情况都不一样。而这套软件可以在输入一个地区的总体地形和气象数据之后计算出每个具体地点的风力情况，包括风速、风向、湍流度等。

 

宋梦譞表示，由于风机的尾流会产生漩涡，因此各风机之间会相互影响，使得下风处的风机发电量大大降低。因此在风机放置时应该尽可能避免尾流的影响，从而尽可能多的发电，实现风电场投入产出比的最大化。

 

但是由于风向时常变化，尾流会不可避免地出现，如果没有科学的位置摆放，有些风机发电量很低，有些甚至不能发电。张兴表示，由于尾流影响导致总体的发电量能相差很多倍。

 

由于很多风电场的地形条件都很复杂，且风机数量较多，在全年不同时间的风向、风速等条件下，考虑避开其他风机的尾流和湍流，仅凭工程师的经验和肉眼观察，主观地决定放置的位置，显然难以获得最优的解决方案和最大的发电量，必须依靠一套自动的软件系统。

 

宋梦譞向记者演示了清华大学自主研发的这套软件。所采用的“风玫瑰”数据包含来自各个方向风的风速大小和出现概率。在综合考虑各种情况之后，软件可以自动计算出一块区域内每个地点的风速，如果该区域内有建筑物，系统甚至可以计算出建筑物附件复杂的湍流。

 

在计算出风能分布后，系统会根据不同型号风机的数据，如轮毂高度（转轴中心到地面高度）、转子半径、功率曲线、有无聚风罩等风机自身特性，计算该区域内风机排布的最佳位置。

 

风能的难以预测性使其成为电网不愿意接受的“垃圾电”。若能对风能提前进行预报预测，则可以方便电网提前协调，对风电并网意义重大。除了在建设风电场时评估风能、指导风机排列位置，张兴指出，这套软件还是一套风能实时预报预测系统。

 

目前，这套软件正在通过竖立在清华大学建筑设计研究院楼顶的风机进行测试。张兴表示，该地点周边都是高楼，风场复杂，条件恶劣，因此测试很有典型性，能够较好地验证系统的准确性。

 

据记者了解，风电场选址在我国还是一个较新的课题。而在国外，欧洲一些国家拥有较为成熟和完善的商用软件。

 

我国一些风电场也曾引进了国外软件进行微观选址，但大部分风电场只是通过一些基本的标准排放风机，如隔5倍直径放置等等，大多没有细化的标准，一般还是根据经验判断，风机往往被放置在地势较高的山顶或坡顶上。但张兴指出，山顶看似风力较大，但实际上并不科学。

 

张兴说：“风机放在山顶不一定最好，因为这一个风机把风能都拿走了，旁边的风机发电量都要减少。而风电场需要系统优化、整体优化，使整个风电场的发电总量最大化。”

 

既然欧洲已经有成熟的产品可用，我国自主创新开发这套系统的意义究竟有多大？

 

张兴表示，三方面因素使得我国必须自主开发风场选址软件。首先，从经济性上来说，这种风电场微观选址的专用软件价格昂贵。

 

其次，世界各国的地图和气象数据都是保密的，因此国外软件不可能配备精确度较高的中国地形地貌图。

 

此外，更为重要的原因是，国外软件并不适用于我国实际情况。欧洲的风场一般都建在平原地区，地势比较平坦，而我国的地形比较复杂，欧洲的软件不具备复杂地形、坡度较大地形的计算能力。

 

“因此国外的软件在中国可以说是水土不服。而我们自行设计的软件功能更为强大。”张兴说。

 

目前，清华大学已经完成了这套软件的全套设计开发工作，并在继续优化算法，向商用产品稳步迈进。

 

此外，据记者了解，国内还有一些科研单位也已经开始了风电场微观选址的研究工作。

 

《科学时报》 (2011-2-21 B2 综合)