馮 放，李 巖，李元強

（1.東北農業(yè)大學理學院，哈爾濱 150030；2.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

當前能源建設，尤其是農村能源建設是農業(yè)發(fā)展及農村基礎設施建設的重要環(huán)節(jié)，關系著農業(yè)經(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展和農民生活水平的迅速提高。黑龍江省作為著名的農業(yè)大省有著豐富的能源，但是廣大農民生產(chǎn)生活能量消耗高，能量需求量大也是不可忽視的問題，廣大農村迫切需要新的能源技術來建設和優(yōu)化農村能源結構，發(fā)展農業(yè)生產(chǎn)，而發(fā)展可再生能源，可以在一定程度上減少能源的消耗量，減輕環(huán)境污染，促進農業(yè)循環(huán)發(fā)展以至在農業(yè)生產(chǎn)生活中獲得綜合效益。黑龍江省的能源儲量尤以生物質能、風能和太陽能最為豐富。針對這一特點，東北農業(yè)大學工程學院的可再生能源研究團隊開發(fā)以生物質能源為主，風能和太陽能為其提供輔助能源的“風-光-沼”綜合利用系統(tǒng)，以期建立寒冷地區(qū)的可再生能源綜合開發(fā)與利用的新模式，實現(xiàn)能源利用系統(tǒng)的能量平衡，提供農村能源建設的新技術，改善農民的生活問題，推動農業(yè)生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

但是在“風-光-沼”綜合利用系統(tǒng)中需要導入風力發(fā)電，利用風能提供能源，這首先需要對校園內的風能資源進行評估，分析風力發(fā)電的可行性。然而，黑龍江省地處高寒地區(qū)，傳統(tǒng)的機械式風能資源測量系統(tǒng)會因積雪和結冰等問題影響測量精度和準確度。為此，本研究采用了適用于寒冷地區(qū)風資源測量的超聲波式風速風向測量系統(tǒng)，采集了東北農業(yè)大學校園內一年的風能資源數(shù)據(jù)，利用風資源評估理論[2]對寒冷地區(qū)的風資源分布特點進行了分析，計算了風力機年發(fā)電量和設備利用率，論證了導入風力發(fā)電的可行性。同時，本研究也確立了在寒冷地區(qū)進行風能資源調查的方法和模式，為寒冷地區(qū)風資源的測量與評估提供了新的借鑒和思路。

1 測量系統(tǒng)與測量方法

1.1 測量系統(tǒng)

本研究測量儀器采用適用于寒冷地區(qū)的超聲波式風速風向儀（英國Gill公司生產(chǎn)），測量裝置設置在黑龍江省南部哈爾濱市（東經(jīng)126°38′，北緯45°45′）市郊的東北農業(yè)大學校園內，測量裝置距地面高度為17 m。測量系統(tǒng)的主要構成如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)構成Fig.1 Measuring system constitutes

1.2 測量方法

在2009年1月至12月期間，利用上述測量系統(tǒng)，全天24 h實時采集了風速和風向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 s。采集到的數(shù)據(jù)送至計算機進行數(shù)據(jù)轉換和運算，并根據(jù)風資源評估理論中本研究所需計算的主要參數(shù)（平均風速、平均風向、風速頻率、風功率密度等）對每秒鐘的風速數(shù)據(jù)進行了處理，并根據(jù)所計算的主要參數(shù)計算了風力機年發(fā)電量及其設備利用率，論證了導入風力發(fā)電的可行性。

2 測量結果與計算

2.1 平均風速

平均風速是最直觀簡單表示風能儲量大小的指標，主要包括年平均風速和月平均風速[2]。前者是一年中各次觀測的風速之和除以觀測次數(shù)，后者則是將各月觀測的風速之和除以觀測次數(shù)。本研究將測量系統(tǒng)采集的全年風能資源數(shù)據(jù)導入自行開發(fā)的處理程序中，通過數(shù)據(jù)庫計算功能，計算出了年平均風速和各月平均風速。并以此為基礎，利用風速隨高度變化的指數(shù)公式（1）[2]，推算出了離地高度為70 m處的年平均風速和月平均風速，計算結果如表1所示。

表1 2009年全年離地17 m和70 m高度處平均風速統(tǒng)計Table 1 Height of 17 m and 70 m from the ground at an average speed statistics the year of 2009(m·s-1)

從表1中可以看出校園內離地17 m高度處，全年平均風速為3.09 m·s-1，其中2、3、4、5、11、12月的平均風速都高于3 m·s-1；而離地70 m高度處全年各月風速都高于3 m·s-1，全年平均風速達到了6.08 m·s-1。另外通過分析圖2所示的2009年5月30這一天的每小時風速變化情況，可知風速在一天內的變化范圍也是較大的。因此，可以說，在70 m高度處東北農業(yè)大學校園內有較豐富的風能資源可以利用。根據(jù)導入風力發(fā)電的最低風速要求在3.5 m·s-1以上這一原則，在校園內70 m以上高度導入風力發(fā)電是具有很高的可行性的。

2.2 風向頻率玫瑰圖

風向頻率玫瑰圖是根據(jù)風向的測量數(shù)據(jù)，按16個方向進行統(tǒng)計，用出現(xiàn)方向的時間除以總的觀測時間，從而確定主導風向，這對于風電場機組位置排列可以起到關鍵的指導作用[3]。圖3所示為利用本研究觀測到的風向數(shù)據(jù)得到的風向頻率玫瑰。由圖3可知，校園內全年風向頻率出現(xiàn)的最大值是SWW和W，其風向出現(xiàn)率分別占全年的12.1%和9.9%，占有較大百分比，即該地區(qū)主導風向是偏西風，這與黑龍江省的季風氣候和高緯度的地形特征有關。因此，風電場中風力發(fā)電機組的風輪方向應面向偏西風方向排列。

圖2 2009年5月30日每小時風速變化曲線Fig.2 May 30,2009 hourly wind speed curve

圖3 2009年風向頻率玫瑰Fig.3 Direction frequency rose diagram of 2009

2.3 風速頻率分布

風速頻率是以1 m·s-1為一個風速區(qū)間，統(tǒng)計每個風速區(qū)間內風速出現(xiàn)的次數(shù)[4]。它是風能利用中反映風的統(tǒng)計特性的一個重要指標。如圖4所示為2009年離地17 m高度處全年風速頻率分布圖，全年中風速為3 m·s-1附近的風速出現(xiàn)頻率23.4%為最高峰，全年分布規(guī)律為單峰形式，峰值出現(xiàn)在風速3 m·s-1附近的區(qū)域，可知校園內風能儲量穩(wěn)定。

通過求得的風速頻率分布，利用最小二乘法可以計算出風速統(tǒng)計的概率密度。一般來說，擬合風速分布的威布爾分布被認為是適用于風速統(tǒng)計描述的分布函數(shù)[2]，并且如果知道了一個高度風速的威布爾分布參數(shù)，便可求出任意高度的威布爾參數(shù)，所以威布爾分布擬合風速要比其他分布擬合要方便。本文利用風速頻率分布數(shù)據(jù)和公式（2）（概率密度函數(shù)的計算公式[2]），可以計算出在離地70 m高度處的威布爾參數(shù)，即k=1.3，c=3.7。圖4中的實線即為威布爾分布曲線。

圖4 2009年風速出現(xiàn)頻率分布與威布爾分布Fig.4 Frequency distribution of 2009 and the Weibull wind speed distribution

公式（2）為

2.4 風功率密度

風功率密度是氣流垂直通過單位面積的風能，它是表征一個地方風能資源多少的指標[2]。由于風速是一個隨機性很大的量，所以一定要觀測考察平均情況，即平均風功率密度，其計算公式為（3）[3]，本文將全年風速數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫計算得東北農業(yè)大學校內離地70 m高度處年平均風功率密度為393.4 kW，根據(jù)風能評估理論，可知處于風能可利用區(qū)范圍[3]。

從以上風資源評估理論中的主要參數(shù)（平均風速、平均風向、風速頻率、風功率密度等）的計算可知，東北農業(yè)大學校園內70 m以上高度處的風資源達到了風資源評估的標準，論證了導入風力發(fā)電的可行性。

3 風力發(fā)電可行性分析

根據(jù)風資源評估理論中的主要參數(shù)計算結果及風速概率密度，通過進一步計算可得到該地的風能可利用時間和風力機的設備發(fā)電量和利用率。

3.1 風能可利用時間

利用公式（4）[2]可求得東北農業(yè)大學離地70 m高度處全年風能可利用時間為5 365 h，約占全年時間的61.2%。

3.2 設備發(fā)電量與利用率

現(xiàn)在以一臺風能利用系數(shù)為0.45的2 000 kW的風力發(fā)電機為例，利用風力發(fā)電量計算公式（5）[3]，可以計算出其全年的發(fā)電量為3.59×106kWh。

利用公式（6）[4]，可計算出其設備利用率（容量系數(shù)）為21%。

通過風能利用時間和設備利用率的估算，可以推知此地全年風可能利用時間符合風資源可利用區(qū)域的要求，如果選擇適合的風力機其設備利用率是比較理想的。

4討論

綜上可見，在地處寒冷地區(qū)的東北農業(yè)大學校園內70 m以上高度處的風資源非常豐富，處于風能可利用范圍內，十分適合導入風力發(fā)電，為農業(yè)生產(chǎn)生活需要能源提供補充。圖5所示即為以沼氣生產(chǎn)為主，風能和太陽能為其提供輔助動力的寒冷地區(qū)“風-光-沼”綜合利用系統(tǒng)的示意圖。由于寒冷地區(qū)冬季時間長，沼氣發(fā)酵需要大量能量來保溫，導致系統(tǒng)能量不平衡。而風力發(fā)電的導入可以有效地解決這一問題，因此，可以預見該系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景。

圖5“風-光-沼”綜合利用系統(tǒng)Fig.5 “Wind-Light-biogas”reuse system

5結論

本研究通過對位于寒冷地區(qū)的東北農業(yè)大學校園中2009年全年內的風資源數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計、計算和分析，確立了在寒冷地區(qū)進行風資源測量與評估的一種方法和模式，以此計算了各項風能評估參數(shù)，論證了風力發(fā)電的可行性，為在高寒地區(qū)導入風力發(fā)電，建立以生物質能利用為主，風能和太陽能為輔的“風-光-沼”可再生能源綜合利用系統(tǒng)提供了重要實踐基礎。為地處寒冷地區(qū)的農業(yè)大省減少能源的消耗量，減輕環(huán)境污染，促進農業(yè)循環(huán)發(fā)展以至在農業(yè)生產(chǎn)生活中獲得綜合效益，探索農村能源發(fā)展利用的新技術，進行可再生資源綜合利用提供了依據(jù)。

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