楊麗芬，周玲，王斌，郝玉

（國(guó)家海洋局北海信息中心 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033）

龍口海洋站風(fēng)能資源分析與評(píng)價(jià)

楊麗芬，周玲，王斌，郝玉

（國(guó)家海洋局北海信息中心 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033）

根據(jù)中國(guó)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》和相關(guān)技術(shù)規(guī)定，對(duì)龍口海洋站的風(fēng)能資源進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，1995－2008年龍口海洋站10 m處的平均風(fēng)速為6.8 m/s，年平均風(fēng)功率密度為377 W/m2，年平均有效小時(shí)數(shù)為7589 h，主風(fēng)向較為顯著，風(fēng)能分布集中，湍流強(qiáng)度處于中等水平。龍口海洋站附近區(qū)域風(fēng)能資源豐富，各項(xiàng)氣象條件建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的要求，適宜發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。關(guān)鍵詞：風(fēng)能資源；風(fēng)功率密度；風(fēng)能頻率；湍流強(qiáng)度

在再生資源中，風(fēng)能的作用越來(lái)越受到人們的重視。風(fēng)能資源作為一種重要的清潔型可再生能源，既能減少環(huán)境污染又能節(jié)省煤、水等資源，具有很高的環(huán)境價(jià)值。為了保護(hù)環(huán)境，中國(guó)逐年增大新能源發(fā)電的比例，預(yù)計(jì)到 2020年中國(guó)風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量將達(dá)到3 000萬(wàn)kW[1]。

中國(guó)風(fēng)力資源居世界首位，通過(guò)對(duì)風(fēng)能資源狀況的勘測(cè)調(diào)查，估算得到中國(guó)風(fēng)能理論可開(kāi)發(fā)總量為 32.26億 kW，實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源總量為2.53億kW[2-3]。但是，中國(guó)的風(fēng)能資源分布不均。沿海地區(qū)是我國(guó)最大風(fēng)能資源區(qū)，已成為中國(guó)新能源開(kāi)發(fā)利用的重要地區(qū)[4]。為了研究渤海沿岸萊州灣海區(qū)的風(fēng)能資源狀況，本文對(duì)位于該海區(qū)的龍口海洋站的風(fēng)能資源進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，為進(jìn)行該地區(qū)風(fēng)能開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 龍口海洋站

龍口海洋站所處區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)型氣候，受季風(fēng)影響顯著；因受海洋影響，氣候變化較平緩。龍口海洋站位于渤海萊州灣東岸[5]，地處山東省黃縣龍口鎮(zhèn)，其地理坐標(biāo)為（37°41′N(xiāo)，120°13′E）。本站始建于1959年，1965年后資料比較完整。海洋站在龍口鎮(zhèn)西偏北11 km、屺姆半島西北端的高角上，東距屺姆山（高54.5 m）300 m。氣象觀測(cè)場(chǎng)海拔高度24.2 m；風(fēng)速器離地高度10.9 m。本文在進(jìn)行風(fēng)能資源分析與評(píng)價(jià)時(shí)，利用了龍口海洋站1995年7月至2008年12月間的逐時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象資料。

2 風(fēng)能資源分析與評(píng)價(jià)

2.1 風(fēng)能參數(shù)的計(jì)算方法

目前，計(jì)算某一地區(qū)的風(fēng)能資源，主要使用該地區(qū)氣象站離地面10 m高度上的逐時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。在中國(guó)，一般認(rèn)為年平均風(fēng)速大于5 m/s，全年3.0～25.0 m/s風(fēng)速出現(xiàn)5 000 h以上的地區(qū)為風(fēng)能資源豐富區(qū)，具有較大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值[6]。

本文進(jìn)行風(fēng)能資源的分析與評(píng)價(jià)是根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[7]（GB/T 18710-2002）中指定的處理方法和《全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》[7]（發(fā)改能源[2004] 865 號(hào)）中的相關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行的。其中，風(fēng)能資源評(píng)估參數(shù)主要包括：風(fēng)能方向頻率、風(fēng)速頻率、有效小時(shí)數(shù)、風(fēng)功率密度、風(fēng)能密度、湍流強(qiáng)度等。

2.2 風(fēng)能資源分析與評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)上述的統(tǒng)計(jì)、分析和計(jì)算方法，針對(duì)收集到的歷史資料特征，利用1995年7月－2008年12月期間的逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向資料得到各項(xiàng)評(píng)估參數(shù)。根據(jù)1995－2008年間的平均風(fēng)速可知3個(gè)代表年分別是：2005年為平均風(fēng)速年，1997年為最大值年，2007年為最小值年。

圖1 歷年年平均風(fēng)速變化曲線圖（1974－2008年）Fig. 1 Variation of the annual mean wind velocity, 1974-2008

2.2.1 風(fēng)速 1974－2008年間的歷年年平均風(fēng)速見(jiàn)圖1，龍口海洋站累年平均風(fēng)速為6.4 m/s；年平均風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的“區(qū)間”現(xiàn)象，20世紀(jì)70年代，風(fēng)速較小，均不超過(guò)5.2 m/s；80年代風(fēng)速逐漸增大，平均風(fēng)速最大達(dá)到了7.6 m/s；90年代之后風(fēng)速趨于平穩(wěn)，分布在6.4～7.2 m/s之間?？梢?jiàn)，計(jì)算風(fēng)能參數(shù)的1995年7月－2008年12月屬于平穩(wěn)大風(fēng)速階段，平均風(fēng)速為6.8 m/s。累年平均風(fēng)速的年變化和日變化如圖 2、3所示，年變化較為顯著，1－5月和10－12月的平均風(fēng)速相對(duì)較大，月平均風(fēng)速的最大值出現(xiàn)11－12月份。季節(jié)變化顯著，夏季平均風(fēng)速明顯偏小，其他3個(gè)季節(jié)風(fēng)速較大。但是，即使在平均風(fēng)速最小的7月份，風(fēng)速也超過(guò)了5.6 m/s。

圖2 風(fēng)速年變化曲線圖（1995－2008年）Fig. 2 Annual variation of wind velocity, 1995-2008

圖3 風(fēng)速日變化曲線圖（1995－2008年）Fig. 3 Daily variation of the wind velocity, 1995-2008

圖4 年風(fēng)向玫瑰圖（1995－2008年）Fig. 4 Rose map of the annual wind direction, 1995-2008

總體可知，1995年7月－2008年12月風(fēng)速的平均日變化不大，變幅在0.8 m/s以內(nèi)，0－12時(shí)的風(fēng)速大于 13－23時(shí)的風(fēng)速，即上午的風(fēng)速大于下午，白天的風(fēng)速大于夜間。盡管夜間風(fēng)速相對(duì)白天較小，但平均風(fēng)速也超過(guò)了6.3 m/s。

2.2.2 風(fēng)向 據(jù)龍口海洋站多年的氣象資料，該地區(qū)全年最多風(fēng)向主要出現(xiàn)在NE和S兩個(gè)方向[4]。累年（1995－2008年）風(fēng)向頻率分布見(jiàn)圖4。累年風(fēng)向分布出現(xiàn)2個(gè)接近相反的主風(fēng)向，即NE和S方向，這與之前的統(tǒng)計(jì)資料是相同的，2個(gè)風(fēng)向發(fā)生頻率之和達(dá)到37%以上。

龍口海洋站受季風(fēng)影響，風(fēng)向頻率分布呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化。冬、春季節(jié)東北風(fēng)偏多，夏、秋季節(jié)南風(fēng)偏多。尤其在 4－6月份，南風(fēng)的強(qiáng)勢(shì)特別顯著，發(fā)生頻率會(huì)超過(guò)30%；從8月份開(kāi)始，偏北向的風(fēng)發(fā)生頻率逐步增加。

表1 風(fēng)功率密度等風(fēng)能參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果（1996－2008年）Tab. 1 Results of wind power density and the other wind energy parameters, 1996-2008

2.2.3 有效小時(shí)數(shù)、風(fēng)功率密度 目前通用的標(biāo)準(zhǔn)：年平均風(fēng)功率密度大于200 W/m2為極豐富區(qū)，150～200 W/m2為豐富區(qū)，100～150 W/m2為較豐富區(qū)，50～100 W/m2為一般區(qū)，小于50 W/m2為貧乏區(qū)5個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。龍口海洋觀測(cè)站歷年風(fēng)功率密度見(jiàn)表1，1996－2008年間的年風(fēng)功率密度均大于300 W/m2，達(dá)到了6級(jí)或以上，最大值為1997年的441.4 W/m2，所以，龍口海洋站附近區(qū)域的風(fēng)能資源非常豐富，屬于極豐富區(qū)。

1996－2008年平均各月的風(fēng)功率密度變化見(jiàn)圖5，可見(jiàn)：對(duì)應(yīng)于6－8月份偏小的風(fēng)速（圖2），風(fēng)功率密度也偏小，最小值在 200 W/m2附近，風(fēng)功率密度等級(jí)可達(dá)3級(jí)。對(duì)應(yīng)于1－5月份和9－12月份較大的風(fēng)速（圖2），風(fēng)功率密度也較大，均超過(guò)300 W/m2，最大值可達(dá)600 W/m2以上。

由 1996－2008年間平均風(fēng)功率密度的日變化（圖6）可以看出， 風(fēng)功率密度的日變化較小，分布于325～425 W/m2之間，對(duì)應(yīng)于風(fēng)速的日變化特征（圖3），表現(xiàn)出上午大于下午、白天大于夜間的現(xiàn)象。但是，即使是1995年7月－2008年12月夜間，平均風(fēng)功率密度等級(jí)也超過(guò)337 W/m2，達(dá)到了6級(jí)，依然是風(fēng)能豐富時(shí)段。

圖5 風(fēng)功率密度年變化曲線圖（1996－2008年）Fig.5 Annual variation of the wind power density, 1995-2008

圖6 風(fēng)功率密度日變化曲線圖（1995－2008年）Fig.6 Daily variation of the wind power density, 1995-2008

2.2.4 風(fēng)速頻率與風(fēng)能頻率分布 通過(guò)對(duì)各級(jí)風(fēng)速和風(fēng)能出現(xiàn)頻率以及全年風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布的統(tǒng)計(jì)分析，3.0～25.0 m/s有效風(fēng)速的出現(xiàn)頻率占 93.0 %，3.0～25.0 m/s風(fēng)速的風(fēng)能出現(xiàn)頻率占98.5 %，1995－2008年平均年風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布見(jiàn)圖7。歷年年有效小時(shí)數(shù)見(jiàn)表1，1996－2008年間平均年有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)（3.0～25.0m/s風(fēng)速年出現(xiàn)次數(shù)）為7 589，1997年最多，達(dá)到7 786。這也表明龍口海洋站附近地區(qū)風(fēng)能資源極其豐富，可利用的有效風(fēng)能所占比例也非常高。

圖7 平均年風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布直方圖（1995－2008年）Fig.7 Mean frequency distribution of wind velocity and wind energy,1995-2008

圖8 年風(fēng)能玫瑰圖（1995－2008年）Fig.8 Rose map of the annual wind energy, 1995-2008

2.2.5 風(fēng)能方向分布 對(duì)應(yīng)各年、各月的風(fēng)能與風(fēng)向的發(fā)生頻率相似，也是全年主要集中在NE和S2個(gè)方向，但東北風(fēng)向的風(fēng)能所占比例超過(guò)南風(fēng)，1995－2008年平均的年風(fēng)能方向分布見(jiàn)圖8。從各月的風(fēng)能玫瑰圖風(fēng)能優(yōu)勢(shì)風(fēng)向分布來(lái)看（表2），以平均值年（2005年）為例，4－7月份的南風(fēng)的風(fēng)能占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，6月份達(dá)到最大，為52.6 %，以2007年6月為例，S向風(fēng)能在全方位風(fēng)能占56.8%；1－3月份、8－12月份偏北東北向的風(fēng)能占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以1997年11月為例，NE向風(fēng)能在全方位風(fēng)能中的比例高達(dá)72.4 %。

表2 各月風(fēng)能優(yōu)勢(shì)風(fēng)向及該風(fēng)向風(fēng)能所占比例（1996－2008年）Tab. 2 Dominant direction and the proportion of the wind energy in that direction every month, 1996-2008

圖9 代表年和累年平均的湍流強(qiáng)度年變化曲線圖Fig.9 Annual variation of the mean turbulent intensity in accumulative and representative years

圖10 代表年的風(fēng)速概率密度分布圖Fig.10 Probability density distributions of the wind velocity in representative years

2.2.6 風(fēng)湍流強(qiáng)度、威布爾分布參數(shù) 風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度特征對(duì)于評(píng)估風(fēng)能資源的可開(kāi)發(fā)性很重要，因?yàn)樗鼘?duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有不利影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端荷載，最終削弱和破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本文利用逐時(shí)的風(fēng)速資料計(jì)算得到了歷年的湍流強(qiáng)度（見(jiàn)表1），以及代表年和多年平均湍流強(qiáng)度的年變化（見(jiàn)圖9）。結(jié)果表明，龍口海洋站附近地區(qū)湍流強(qiáng)度不大，累年平均的湍流強(qiáng)度為0.15，屬于中等程度，歷年的湍流強(qiáng)度值分布在0.16～0.21之間；3個(gè)代表年各月的湍流強(qiáng)度主要集中分布在0.1～0.2之間，僅在1997年8月份超過(guò)了0.25。

2.2.7 其他特殊氣候現(xiàn)象 根據(jù)龍口海洋站多年的氣象資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)累年每年平均發(fā)生雷暴23.4次，以7月份發(fā)生次數(shù)最多；統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，該地區(qū)沒(méi)有發(fā)生過(guò)沙塵暴現(xiàn)象；其他破壞性天氣出現(xiàn)也很少。從氣象條件分析，該地區(qū)比較適合發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。

3 風(fēng)能資源評(píng)價(jià)結(jié)論

依據(jù)中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估的參考依據(jù)，龍口海洋觀測(cè)站1995年7月－2008年12月間的資料及計(jì)算結(jié)果顯示：該區(qū)域的累年平均風(fēng)速為6.4 m/s；有2個(gè)方向接近相反的主風(fēng)向，NE方向和S方向。 1995－2008年的年平均風(fēng)功率密度為377 W/m2，歷年的風(fēng)功能密度都很大，均大于 300 W/m2，達(dá)到 6級(jí)或以上，可以很好地應(yīng)用于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電；年平均有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)達(dá)到7 589，3.0～25.0 m/s風(fēng)速的風(fēng)能占到98%以上，可見(jiàn)該區(qū)域的風(fēng)能資源非常豐富，可利用的有效風(fēng)能所占比例也很大； NE風(fēng)和S風(fēng)為主導(dǎo)能量風(fēng)向，NE方向的風(fēng)能分布頻率大于S方向；湍流強(qiáng)度集中分布在0.1～0.2之間，屬于中等程度，適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。另外，根據(jù)龍口海洋站氣象資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)沒(méi)有極端惡劣的氣候環(huán)境，沙塵暴在歷史記錄中基本沒(méi)有，每年發(fā)生的雷暴現(xiàn)象也比較少。

各項(xiàng)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)參數(shù)的結(jié)果顯示，龍口海洋站附近海區(qū)風(fēng)能資源豐富，特殊惡劣天氣現(xiàn)象稀少，各項(xiàng)風(fēng)力條件均達(dá)到了建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的要求，該地區(qū)的風(fēng)能資源具有一定的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

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Analysis and assessment on wind energy resource at Longkou Marine Station

YANG Li-fen, ZHOU Ling, WANG Bin, HAO Yu

(Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecology and Environment and Disaster Prevention and Mitigation,North China Sea Data and Information Service, SOA, Qingdao 266033, China)

According to the “Methodology of wind energy resource assessment for wind farm” and the other related technological regulations, the wind energy resource at Longkou Marine Station is analyzed and assessed in this paper.The results show that during 1995-2008, the mean velocity is 6.8 m/s at 10 meters, and the mean annual wind power density is 377 W/m2and the mean annual effective time of wind velocity is 7589 hours. In addition, the main wind directions are dominant, and the distribution of wind energy is comparatively concentrative, and the turbulent intensity is medium. In conclusion, the wind energy resource around the Longkou Marine Station is abundant, all the meteorological conditions meet the request of the construction of wind farm, and it’s feasible to exploit the wind energy in this region.

wind energy resource; wind power density; frequency of wind energy; turbulent intensity

P736.23

A

1001-6932(2011)04-0409-05

2010-03-16；

2010-11-22

渤海海洋環(huán)境信息集成及動(dòng)態(tài)管理技術(shù)示范應(yīng)用（200905030）。

楊麗芬 ( 1983－ )，女，碩士，助理工程師。主要從事海洋數(shù)據(jù)資料開(kāi)發(fā)及服務(wù)工作。電子郵箱：green-1983@163.com。