王起峰

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

受化石能源資源日趨枯竭、環(huán)境保護(hù)等的驅(qū)動(dòng)，自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家和一些發(fā)展中國(guó)家都開(kāi)始重視風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用。國(guó)際上風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。我國(guó)風(fēng)能資源十分豐富，開(kāi)發(fā)前景廣闊，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在蓬勃發(fā)展。

山東半島地處渤海灣與黃海包圍之中，地形以低山丘陵為主，風(fēng)能資源豐富。在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的可行性研究階段，風(fēng)資源評(píng)估是一項(xiàng)十分重要的工作，其成果直接決定該工程能否盈利，風(fēng)資源評(píng)估內(nèi)容豐富：測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)整理、檢驗(yàn)與處理；實(shí)測(cè)年風(fēng)能要素計(jì)算；代表年風(fēng)能要素計(jì)算；風(fēng)切變指數(shù)；50年一遇最大風(fēng)速；湍流強(qiáng)度；威布爾分布；IEC等級(jí)等等統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。本文主要介紹風(fēng)功率密度及IEC等級(jí)。

1 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中所具有的功率。設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度表達(dá)式為：

式中：Dwp為平均風(fēng)功率密度，W/m2；n為在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；

vi3為第i個(gè)記錄的風(fēng)速值的立方。

平均風(fēng)功率密度的計(jì)算應(yīng)是設(shè)定時(shí)段內(nèi)逐小時(shí)風(fēng)功率密度的平均值。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》，風(fēng)功率密度蘊(yùn)含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響，是風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能資源的綜合指標(biāo)，風(fēng)功率密度等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)功率密度等級(jí)

2 IEC等級(jí)

根據(jù)IEC61400-1：2005-8關(guān)于安全等級(jí)的規(guī)定，IECI～I(xiàn)II的風(fēng)機(jī)，抗50年一遇十分鐘最大風(fēng)速分別為50m/s、42.5m/s、37.5m/s。湍流強(qiáng)度特性級(jí)A、B、C對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度值為0.16、0.14、0.12。

IEC等級(jí)對(duì)于風(fēng)機(jī)選型具有特殊的要求，根據(jù)其要求，主要考慮兩個(gè)方面的數(shù)值：50年一遇10min最大風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。

2.1 50年一遇10min最大風(fēng)速

根據(jù)全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定，測(cè)站50年一遇極端風(fēng)速值x采用極值型的概率分布，其分布函數(shù)為：

式中：u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾值；a為分布的尺度參數(shù)。

2.2 湍流強(qiáng)度

大氣湍流強(qiáng)度表示瞬時(shí)風(fēng)速偏離均值的程度，是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)，其大小關(guān)系到風(fēng)電場(chǎng)資源質(zhì)量的優(yōu)劣。大氣湍流度與地理位置、地形、地表粗糙度和影響天氣系統(tǒng)的類型等因素有關(guān)。風(fēng)能資源評(píng)估中湍流指標(biāo)采用相同時(shí)段的平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算湍流強(qiáng)度。本次數(shù)據(jù)記錄時(shí)段采用10min平均值進(jìn)行湍流強(qiáng)度的計(jì)算，公式為：

3 應(yīng)用研究

本研究以山東某縣風(fēng)電場(chǎng)工程為實(shí)例，介紹風(fēng)資源評(píng)估步驟。

為了合理有效的開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)，在風(fēng)電場(chǎng)安裝了一臺(tái)70m高的測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行測(cè)風(fēng)工作，分別在70m、60m、50m、30m、10m高度各安裝了一個(gè)風(fēng)速儀，并在70m、10m高度各安裝了一個(gè)風(fēng)向儀，測(cè)風(fēng)儀器采用美國(guó)NRG公司制造的Symphonies測(cè)風(fēng)設(shè)備。距離風(fēng)電場(chǎng)最近的氣象站位于風(fēng)電場(chǎng)東北約13km處，在收集了一整年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)、處理后得到一套完整年的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)附近長(zhǎng)期測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將驗(yàn)證后的風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期平均水平的代表性數(shù)據(jù)，然后采用公式(1)計(jì)算輪轂高度處的風(fēng)功率密度和平均風(fēng)速，見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)代表年風(fēng)逐月風(fēng)功率密度

由圖1可知，本風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速約為6.2m/s，年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2。本風(fēng)電場(chǎng)3月～5月及11月～12月為大風(fēng)月，風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較大，而7月～9月為小風(fēng)月，風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較小。

該地區(qū)的相關(guān)歷史氣象資料進(jìn)行具體分析，計(jì)算得出氣象站50年一遇最大風(fēng)速為19.21m/s。用氣象站與測(cè)風(fēng)塔70m日最大風(fēng)速相關(guān)分析，采用風(fēng)切變指數(shù)推導(dǎo)到輪轂高度處，其50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s。

計(jì)算輪轂高度處實(shí)測(cè)年15m/s風(fēng)速下的湍流強(qiáng)度為0.1087。

4 結(jié)論

(1)本風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2，平均風(fēng)速約為6.2m/s，根據(jù)風(fēng)功率密度等級(jí)表，本風(fēng)電場(chǎng)為2級(jí)風(fēng)場(chǎng)，具有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

(2)本風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s，輪轂高度處湍流強(qiáng)度為0.1087，根據(jù)IEC等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)選擇IEC IIIC以上的風(fēng)機(jī)。

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[3]王麗娜，祝青林，徐梅.大連地區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估及分布[J].氣象科技，2010，38(4).

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