1.2　研究范畴

风能领域的研究范畴包括许多课题。根据欧洲风能技术平台（TPwind，European Wind Energy Technology Platform）的划分，界定了四个基本研究领域：风力条件、风力透平机技术、风能并网、离岸风能部署和运营［21］。

1.2.1　风力条件的研究

风力条件的研究目标是提出更多、更有效的方法鉴别有潜力开发风力资源的地区并测量该地区的风力资源情况，为建设风场提供相应的依据和参考。一般侧重于平坦地势、复杂地势［22］和离岸型风场的研究。长远来看，对于任何一个风场，无论它是平坦地势、复杂地势还是离岸型地势，都应该将风力资源预测的不准确度控制在3%以内。风力资源的预测主要包括全年风电产能情况、影响风力机设计的风力特性以及短期和长期的风能资源情况［23］等三方面的内容。在风能预测的过程中，需要遥感技术和计算流体力学（CFD）的辅助。

具体来说，风力资源的预测可以细分为6个方面的子课题，包括复杂地势的风力发电机选址、风场内部和风场之间的尾流效应、离岸型风场的气象预测、极限风速的预测、地面上风力轮廓的绘制、短期风力资源的预测。

对于复杂地势或森林地势的风力机选址问题，目标是准确地计算风力透平上的风力载荷以及在全球任意地点安装风力机的全生命周期的产能情况。

对于尾流效应的研究，目标是提高对风场内部和风场之间尾流的认识，并将尾流效应的基本理论运用到离岸型风场项目的规划和经济分析中。具体来说，一方面要增加大型风场的数据采集力度；另一方面要开发并完善仿真度更高的尾流模型，还要评估顺风情况对大型风场的影响。

对于离岸型风场的气象预测，研究重点主要有三个方面：①风力与波浪的交互作用对风力机发电的影响；②大气气流的稳定性；③陆地与海洋过渡区域的气象条件对风场的影响。对离岸型风场气象预测的深入认识，有利于提出一系列新方法进行离岸型风力机设计条件的探索、海上风力资源的评估以及短期大气气象变化的预测。然而，对于海上大气模型的构建以及离岸型风场的设计，目前遇到的最大瓶颈就是海上大气环境测量数据的欠缺。因此，海上大气环境的测量方法和测量技术就格外重要，值得仔细研究。

对于极限风速的研究，目标是建立全球极限风速的数据库，包括50年内极限风速的预测。如果极限风速的预测合理，统计数据的精确度有所提高，就能够从根本上提高世界各地风力发电场的经济性。对于高频极限风速的深入认识将有助于估算风力透平上的机械载荷，并且优化风场中特定位置风力机的选型和设计。

对于风力轮廓的测量与研究，主要对象是地面100m以上的风力轮廓。根据传统的表面边界层理论，在地面上50～80m范围内的风力轮廓已能准确测量，现在的目标是研究100m以上的风力轮廓曲线，建立地面上整体边界层的风力轮廓模型，并研发测量方法和理论分析工具。由于风力机尺寸的不断增大，工业界需要研究和提出新方法探索地面100m以上的风力轮廓和湍流演变。

对于风力资源的短期预测，目标是准确预测和跟踪一到两周内风力资源和其他气候指标的变化状况。风力资源的预测应该综合利用多种数据库和测试方法，诸如天气预报、在线风力测量、遥感测量等。如果能将天气预报和风力资源预测结合起来进行信息共享，就能够有效提高天气预报和风力资源预报的准确度。

1.2.2　风力机透平技术的研究

风力机透平技术旨在优化风力发电机系统［24］以减少风力机全生命周期的发电成本，并提高风能与其他能源的竞争力。风力发电机系统的优劣影响到很多方面，包括风力机的初期投入和运营维护成本、整体风力发电机系统的效率、风力机系统的可靠性和使用寿命等，甚至还会影响到风力发电机系统废弃后产生的处置费用和环境影响。风力机系统比较复杂，包含了多种零部件和子系统，在设计各个零部件和子系统的时候，需要结合多个学科进行综合考量。近年来，风力机的尺寸不断增大、复杂性不断增加，产生了一些新问题，也使风力机透平技术面临的任务更加艰巨。

在此研究领域，风力机将被分别当做流体系统、机械结构、发电设备或控制系统等单独研究。

（1）将风力机当作流体系统时，重点研究风力机轮毂和叶片上的风速分布情况。随着风力机尺寸的不断增大，轮毂和叶片上风速的差异不能再忽略。对于风力透平机各个位置风速分布的准确计算和测量有助于优化风力机的气动设计过程。研究过程中不仅要建立风力机气动性能和气弹稳定性的数值模型，而且要运用风洞实验进行验证。

（2）将风力机当作机械结构时，研究目标是提高结构性能的可靠性和完整性。研究内容包括设计载荷的准确估算、风力机叶片的新材料、结构强度的验证、风力机各部件的可靠性等。

（3）将风力机当作发电设备时，研究目标包括研发更好的电气部件、提高风电电力品质以增强电网的稳定性等。整流器、发电机等电力器件的改善能够有效降低风力机在使用寿命内的发电成本，并提高电网的兼容性。

（4）将风力机当作控制系统时，研究目标是保持风力机性能、载荷和使用寿命之间的平衡。为了实现三者之间的最优解，要努力开发高级控制策略、控制装置和监控系统。

1.2.3　风能并网的研究

风能并网主要解决风力发电场与地区或国家级电网的连接问题［25］，其课题包括风电场的发电容量研究、电网规划与运营管理以及电力系统管理［26］。

对于风电场的发电容量研究，主要包括完善高效可靠的电网系统的电力技术指令和在不影响电网稳定性的情况下增加风电在电网中的比重等。

对于电网规划与运营的研究，目标是克服远距离电力传输的瓶颈，使风电场的电能能够顺利供应给电力用户。为了应对大规模风电场的电力波动，必须通过电力供求关系的预测和电网输电线路的合理规划配套相应的电网设施。由于风力发电比常规发电的功率因子低一些，相应输电线的选型方法需要重新验证。

对于电力系统管理，主要目的是提高现有电力系统发电容量的潜力，使电力系统的发电量更加灵活和易于调节。电力系统管理的研究，不仅涉及到电能生产管理和电能利用管理，还涉及到电能储存的管理。由于风电在供电系统中的比重越来越大，还需要重视储能系统的研发和管理。

1.2.4　离岸型风电部署与运营的研究

离岸型风电部署与运营的研究处于起步阶段，主要内容是预测和制定离岸型风电的发展路线图。其主要内容包括：制定离岸型风力发电的发展路线图，界定离岸型风电发展的主要瓶颈，鉴别离岸型风力发电优先研究领域等。预计2030年，欧洲将会有10%的能源由离岸型风电场供应。相比于其他类型发电厂，离岸型风电场在经济性上有一定竞争力。为了促进离岸型风电的发展，需要解决三大问题，即安全性、环境效应和技能培训。

确保离岸型风电场设施的安全运营和工程技术人员的人身安全对于离岸型风电场的发展至关重要。离岸型风电场安全性的研究覆盖了整个施工阶段，包括风力发电场最初的选址阶段、风力机安装阶段、正式运营阶段和后期维护检修阶段。

离岸型风电环境效应的研究，主要包括两大方面：一方面，要收集海上气象数据，尤其是风力资源的气象数据，确保离岸型风力发电场在投入运营之后能如期收回成本且实现盈利，这样能降低离岸型风电场的投资风险；另一方面，要研究离岸型风电场在建成之后是否会对当地生态环境产生破坏，包括对于海洋附近鸟类、鱼类繁衍生息的影响。

本项目“非常规风力机叶片翼型的气动性能分析与CFD仿真”属于风力透平机技术的研究范畴。