發揮團隊協作戰力 與風共舞

中央研究院應用科學研究中心 郭志禹博士

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口述─中央研究院應用科學研究中心 郭志禹博士 文、圖─鄭元慶

如何提升風力發電預測的準確性,進而提高發電效益、協助電網調度,有賴跨領域的團隊協作,以及更開放的氣象資料庫。

我們常以「來無影、去無蹤」來形容風的難以預測;因為難以捉摸,所以氣象預報最需資源,成本也高。一般大眾可能不清楚,風力發電是標準的重工業,「依據2015年美國國家能源研究院數據,豎立起一部發電量4MW的離岸風機,歐洲成熟國家現階段成本要新臺幣7億元,其中2成用於融資、保險等前期準備作業,近5成用於基樁等土木工程,僅3成是花在風機設備。」中央研究院應用科學研究中心郭志禹博士點出,由於離岸風電的投資經費動輒以百億計,當業者要向銀行融資時,銀行基於確保債權的穩定,就需要業者先提供未來風能可轉為電能的預測數據。「預測系統不能等到風機建置完成後才進場,要提早布局。」

土木跨足氣象 風電預測生力軍

交通大學土木系、臺大應用力學研究所畢業,而後赴英國劍橋大學完成博士學位的郭志禹,回憶剛涉入風力預測議題時,純粹是基於好奇。104年,他與臺大應用力學研究所張建成所長共同指導的學生,欲進行這方面的研究,卻發現當時中央氣象局無法提供資料;「中央氣象局每天發布氣象資訊供民眾參用,其專業性與準確性無庸置疑;但礙於法規的限制和管控,卻無法提供研究單位更多氣象資料,也無法應對離岸風電業者的風力預報特殊需求。」

正好永傳能源所屬的福海風場,為了評估離岸風場的風能資源,在彰濱外海興建一座「海氣象觀測塔」(與上緯、台電為臺灣3座離岸海氣象觀測塔),可提供研究所需數據。經他與永傳能源洽談,永傳允諾提供海氣象觀測內容,但也希望郭志禹能在資料的管理應用上予以協助。

郭志禹師生利用觀測塔獲得的資料,以美國研究機構的氣象預報WRF模式(The Weather Research and Forecasting Model)為工具,來預測彰濱外海附近的天候。事後對比WRF的預測和實際氣象資料,再把結果應用於風電效能預測後發現,兩者數據相當吻合,足證這個預測模式有其可信度。這些氣象和發電預測資料,就成為國內行庫融資評估之依據。

郭志禹還利用開源時序資料庫系統,與永傳能源共同發展出風能即時展示系統,將近期的風速及氣象即時資料顯示於大螢幕面板上。「一張圖片勝過千言萬語」,不論是外賓、銀行團、民眾來參觀,看到展示系統的風力數據,即可對風速及氣象狀態一目了然。

他的研究團隊也用模式印證,當風機密集排列時,下風處的風機會受到上方風機「尾流效應」影響,而減少發電量。這個因素需在電力評估及維運層面上加以考慮,因為風電業者有契約責任,萬一事前沒有預估,營運後會是個大問題。

數值預報需求殷切 借鏡國外開放模式

郭志禹表示,離岸風電業者需要高精確度的氣象數值預報,且中央氣象局也有這些資料,只因沒有經過人工篩檢、判斷的原始資料,氣象局受限於法規無法提供給民間企業。

在此情況下,國內就有氣象業專才合組氣象公司,向亞馬遜等外國公司租用超級電腦,進行氣象數值預報運算,再將結果提供給有需要的業者,成為新興的行業。

他指出,相對於我國的中央氣象局,先進國家對「數值預報」的觀念較開放,認為符合公眾利益的資料大多都會對外開放,再由使用者進行最後判讀。他也提到,國際間的氣象研究都走合作路線,美國國家海洋暨大氣總署,每天定時將資料公開,研究者要了解某個區域的氣象,就可搜尋這些「氣象預報的初始資料」來使用。「很多國際性的氣象網站,都有國家級氣象機構的影子,將氣象資料開放出來,也是打入國際社會的一種方式。」

團隊協作 為離岸風能大數據產業加把勁

郭志禹有了與風電業者協力研究及接觸氣象預報體系的經驗,所以當國家實驗研究院國家高速網路與計算中心在3年前成立「臺灣離岸風能大數據產業之發展與創新應用」計畫時,主持人蔡惠峰博士就邀請郭志禹參加,並在第4年的延伸落地計畫中由郭志禹擔任主持人,並將中研院及海洋大學海洋科技中心納入團隊。

這個計畫充分發揮團隊協作的優勢,其下有幾個子計畫,包括張文鎰博士利用人工智慧學習,進行「離岸風場之海氣象預報服務」、「離岸風電施工船路徑最佳化」、「風機迎風面轉向之智慧學習」,以及吳建衡博士之「個人型人工智慧與大數據整合運算平台」;為的都是要獲得離岸風場海氣象精確即時的預測數據,以更符合風電營運的需求。只因目前彰濱區尚未架設海域風機,故尚未有實際風能資料可供預測展示。郭志禹表示,希望能在今(109)年隨著彰濱離岸風場施工陸續展開之際,提供公開網站展示彰濱區風電之大數據機器深度學習加值預測。

郭志禹曾與台電再生能源處交流,獲得台電海氣象觀測塔某段時期的氣象資料,也證明運算沒問題。他期待,未來還有機會和台電建立合作關係,共同進行海氣象預測,走向精準預報之路。

郭志禹博士

現任中央研究院應用科學中心研究員,國立交通大學土木系學士、國立臺灣大學應用力學所碩士暨英國劍橋大學博士。專長為環境力學、流體力學等。

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