郝 軍，潘忠濤，王 璟

(中國電建集團(tuán) 西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

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景泰風(fēng)電場風(fēng)能資源評估

郝 軍，潘忠濤，王 璟

(中國電建集團(tuán) 西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

風(fēng)能資源的開發(fā)是目前新能源開發(fā)的重點領(lǐng)域。在此以景泰風(fēng)電場所在地區(qū)氣象站資料和風(fēng)電場測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)為例，通過對景泰風(fēng)電場80m高度風(fēng)能資源進(jìn)行計算，結(jié)果表明該風(fēng)電場80m高度年有效風(fēng)速時數(shù)為7121h，風(fēng)功率密度接近3級，風(fēng)速頻率主要集中在2m/s～9m/s,無破壞性風(fēng)速, 年內(nèi)變化小，湍流強度較小,全年均可發(fā)電。此結(jié)果為景泰風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)提供了理論基礎(chǔ)，也為加快區(qū)域風(fēng)資源評估提供了理論依據(jù)。

風(fēng)電場；風(fēng)資源計算；風(fēng)能資源評估；景泰

1 引言

能源與環(huán)境是全球共同面臨的重大問題，加快開發(fā)利用可再生能源是解決人類能源和環(huán)境問題的必由之路。風(fēng)電是綠色可再生能源，發(fā)展風(fēng)電等清潔能源是實施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施。雖然風(fēng)電場的選址受風(fēng)能資源、自然地理、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、社會經(jīng)濟(jì)條件等多種因素的制約，但風(fēng)能資源是其決定性因素，是風(fēng)電場建設(shè)的前提條件，直接決定風(fēng)電場建成后的成敗。因此，風(fēng)電場建成后能否發(fā)揮預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，風(fēng)能資源評估便成為項目選址階段最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。但由于風(fēng)電場所在區(qū)域地理環(huán)境的差異，各擬建風(fēng)能資源評估所采用的方法也不盡相同[1-9]，本文結(jié)合景泰氣象站近30年的氣象數(shù)據(jù)和擬建風(fēng)電場10m、40m、70m高度的測風(fēng)數(shù)據(jù)，利用Wasp軟件對景泰風(fēng)電場的平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度、風(fēng)向、湍流強度等進(jìn)行計算，為該風(fēng)電場的建設(shè)提供理論依據(jù)。

2 區(qū)域風(fēng)資源

景泰縣地處季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)過渡地帶，年均降水量185mm，多集中在7、8、9三個月，占全年降水量的61.4%，年均蒸發(fā)量3038mm。

景泰縣氣象站1956年建站，位于景泰縣城西南，觀測場高程1631m，氣象資料的記錄完整連續(xù)，距離擬建的景泰風(fēng)電場場址10km。景泰氣象站與景泰風(fēng)電場主要氣候特征基本一致，景泰氣象站可以作為景泰風(fēng)電場的氣象參照站。

根據(jù)景泰氣象站1971～2000年近30年氣象資料統(tǒng)計，其年平均氣溫8.6℃，年平均氣壓836.8hPa，年平均水汽壓6.3hPa，年平均降水量183.5mm，沙塵暴日數(shù)12d，雷暴日數(shù)15d，呈現(xiàn)出明顯的大陸性氣候特征。

2.1 年平均風(fēng)速

選取景泰氣象站1980～2009年的氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計，波動變化趨勢較為明顯(年平均風(fēng)速變化見圖1)，但并未呈現(xiàn)出明顯減小或增大的趨勢，這充分說明了風(fēng)速變化具有隨機性的特點，多年平均風(fēng)速為1.96m/s。

圖1 景泰年平均風(fēng)速變化

2.2 月平均風(fēng)速

根據(jù)景泰氣象站1980～2009年各月平均風(fēng)速統(tǒng)計，該地區(qū)3～5月風(fēng)速較大，9月至翌年1月風(fēng)速較小(見圖2)。擬建風(fēng)電場建成后設(shè)備的檢修工作，可以充分利用區(qū)域風(fēng)速年內(nèi)月變化這一特點，多在每年的8～10月進(jìn)行，提高風(fēng)能資源的利用率，增加發(fā)電量。

圖2 景泰月平均風(fēng)速變化

2.3 風(fēng)向玫瑰圖

在風(fēng)機的微觀選址過程中，須充分考慮區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向指風(fēng)頻最大的風(fēng)向角的范圍，風(fēng)向角范圍一般在連續(xù)45度左右，對于以16方位角表示的風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向一般是指連續(xù)2～3個風(fēng)向角的范圍。根據(jù)景泰氣象站資料景泰氣象站風(fēng)向玫瑰圖(見圖3)可以看出，景泰氣象站風(fēng)向以西風(fēng)和北風(fēng)為主。

圖3 景泰氣象站風(fēng)向玫瑰圖

在風(fēng)機的排布過程中，根據(jù)區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向，考慮上風(fēng)向風(fēng)機對下風(fēng)向風(fēng)機的尾流影響，以減少風(fēng)機之間的尾流造成的電量損失。

2.4 風(fēng)電場測風(fēng)資料

按照GB/T18710-2002 《風(fēng)電場風(fēng)能資源評價辦法》，采用北京木聯(lián)能軟件公司編制的《風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)驗證和評估軟件》2.0版，對測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行完整性檢驗、范圍檢驗、相關(guān)性檢驗和風(fēng)速變化趨勢檢驗。

2.4.1 檢驗項目

(1)小時平均風(fēng)速值范圍為0～40m/s；

(2)風(fēng)向值范圍0～360°；

(3)當(dāng)切入風(fēng)速大于5.0m/s時，風(fēng)速和風(fēng)向連續(xù)6h無變化；

(4)小時平均風(fēng)速變化小于6.0m/s；

(5)相隔高度在1～20m條件下平均風(fēng)速差小于2.0m/s；

(6)相隔高度在21～40m條件下平均風(fēng)速差小于4.0m/s；

(7)當(dāng)切入風(fēng)速大于5.0m/s時，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差值小于10。

測風(fēng)塔共有2007年5月至2009年12月共計32個月的測風(fēng)數(shù)據(jù)，其中2008年和2009年測風(fēng)數(shù)據(jù)出錯較少，且數(shù)據(jù)完整率較高，選取測風(fēng)塔2008年1月1日至2009年12月31日完整兩年的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗分析計算。

測風(fēng)塔2008年1月1日至2009年12月31日的測風(fēng)時段共有100892條記錄，缺測1372條記錄，數(shù)據(jù)完整率為98.6%。

2.4.2 合理性檢驗結(jié)果

對測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍檢驗、相關(guān)性檢驗和風(fēng)速變化趨勢檢驗，檢驗后列出所有不合理的數(shù)據(jù)及對應(yīng)的時間，對不合理數(shù)據(jù)再次進(jìn)行判斷，挑出符合實際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)組。檢驗處理后測風(fēng)塔不同高度實測風(fēng)速統(tǒng)計見表1。

表1 測風(fēng)塔不同高度實測月平均風(fēng)速統(tǒng)計表

2.5 測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正

根據(jù)景泰氣象站1980～2009年氣象資料統(tǒng)計，近30年平均風(fēng)速為1.96m/s，近20年平均風(fēng)速為1.84m/s，近10年平均風(fēng)速為1.73m/s。景泰氣象站與測風(fēng)塔測風(fēng)時段2008年1月1日至2009年12月31日同期的平均風(fēng)速為1.74m/s，與近10年長系列平均風(fēng)速接近，具有較好的長系列代表性。

依據(jù)現(xiàn)有景泰氣象站2008～2009年逐小時風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔同期資料進(jìn)行相關(guān)分析，總體相關(guān)系數(shù)為0.542，相關(guān)性較差；分扇區(qū)分析結(jié)果顯示兩者相關(guān)性亦較差，其主要原因是由于場址周圍特殊的地形條件所致，故本次對測風(fēng)資料不再進(jìn)行訂正處理。

3 風(fēng)電場風(fēng)資源計算

風(fēng)能密度是指氣流在單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的風(fēng)能，由于風(fēng)速每時每刻都在變化，不能使用某個瞬時風(fēng)速值來計算風(fēng)能密度。通過平均風(fēng)速求出平均風(fēng)能密度，反映區(qū)域風(fēng)能資源現(xiàn)狀。并不是所有的風(fēng)能都能被風(fēng)機所利用，只有介于風(fēng)機啟動和切出風(fēng)速之間的部分風(fēng)能才能被風(fēng)機所利用并轉(zhuǎn)化為機械能，這部分區(qū)間風(fēng)速為有效風(fēng)速，將有效風(fēng)速平均所求出的風(fēng)能密度， 稱為有效風(fēng)能密度。

3.1 空氣密度

根據(jù)景泰縣氣象站近30年平均氣溫、氣壓和水汽壓計算空氣密度，計算公式如下[10-11]：

式中：t為平均氣溫；p為平均氣壓；e為平均水汽壓。

經(jīng)計算得出景泰縣氣象站空氣密度為1.032kg/m3，氣象站所在位置海拔高程為1631m，風(fēng)電場平均海拔高程為1750m，推算至風(fēng)電場的空氣密度為1.019kg/m3。

3.2 平均風(fēng)速及風(fēng)功率密度

測風(fēng)塔不同高度代表年月平均風(fēng)速統(tǒng)計見表2，80m高度風(fēng)速由70m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)推算(切變指數(shù)取測風(fēng)塔40～70m間實測切變)，風(fēng)向直接采用70m高度風(fēng)向。

測風(fēng)塔80m高度年平均風(fēng)速為6.52m/s，年有效風(fēng)速(3～25m/s)時數(shù)為7121h，平均風(fēng)功率密度為302W/m2。

表2 測風(fēng)塔不同高度代表年月平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度統(tǒng)計表

3.3 風(fēng)頻曲線

風(fēng)頻曲線采用威布爾分布，概率分布函數(shù)用下式表示：

式中：V為風(fēng)速；A、K為威布爾參數(shù)[10-11]。

用WASP9.0程序進(jìn)行威布爾曲線擬合計算得到：測風(fēng)塔10m高度年平均風(fēng)速為5.31m/s，平均風(fēng)功率密度為154W/m2，威布爾參數(shù)A=6.0， k=1.9；20m高度年平均風(fēng)速為5.8m/s，平均風(fēng)功率密度為195W/m2，威布爾參數(shù)A=6.5， k=1.94；40m高度年平均風(fēng)速為6.34m/s，平均風(fēng)功率密度為260W/m2，威布爾參數(shù)A=7.1， k=1.91；70m高度年平均風(fēng)速為6.62m/s，平均風(fēng)功率密度為303W/m2，威布爾參數(shù)A=7.5， k=1.87；80m高度年平均風(fēng)速為6.67m/s，平均風(fēng)功率密度為309W/m2，威布爾參數(shù)A=7.5， k=1.87。

圖4 測風(fēng)塔80m高度平均風(fēng)速威布爾分布圖

測風(fēng)塔70m高度平均風(fēng)速威布爾分布圖見圖4，由圖可以看出測風(fēng)塔70m高度風(fēng)速在4.0～8.0m/s風(fēng)速段擬合偏高，但整體擬合情況較好。

3.4 風(fēng)速、風(fēng)向特性

測風(fēng)塔80m高度風(fēng)向和風(fēng)能分布統(tǒng)計見表3，從表中可以看出,場區(qū)內(nèi)以東南(SE)風(fēng)的風(fēng)速最大和頻次最高，其次為南東南(SSE)風(fēng)。

測風(fēng)塔80m高度風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布統(tǒng)計見表4，從風(fēng)速分布來看，風(fēng)速主要集中在2.0～9.0m/s，占全年的69.9%,風(fēng)能只占全年的28.0%；11～25m/s風(fēng)速段占全年的15.94%，但風(fēng)能占全年的60.42%；而大于25m/s的風(fēng)速約占全年的0.02%，風(fēng)能占全年的0.65%。

表3 測風(fēng)塔80m高度風(fēng)向和風(fēng)能分布統(tǒng)計

表4 測風(fēng)塔80m高度風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布表

通常情況下，本地區(qū)年內(nèi)3～5月風(fēng)速較大，9月至翌年1月風(fēng)速較小，呈現(xiàn)春季風(fēng)大，秋冬季風(fēng)小的特點。但各年尚不完全相同，在總趨勢下，存在一些偶然因素影響。

風(fēng)速一日之內(nèi)的變化是十分復(fù)雜的，難以用一條曲線表示。從總體情況看，該區(qū)域風(fēng)速白天大，晚上小。風(fēng)速峰值出現(xiàn)在上午9～10點，谷值出現(xiàn)在23點左右。

3.5 風(fēng)切變指數(shù)

風(fēng)切變指數(shù)按下式計算:

V2:高度Z2的風(fēng)速,m/s；V1:高度Z1的風(fēng)速,m/s。

測風(fēng)塔不同高度測風(fēng)資料計算的風(fēng)切變指數(shù)見表5。

表5 測風(fēng)塔不同高度風(fēng)切變指數(shù)表

由上表可以看出，測風(fēng)塔40～70m切變指數(shù)為0.062， 風(fēng)速的垂直切變較小。擬合測風(fēng)塔不同高度及其對應(yīng)風(fēng)速相關(guān)關(guān)系的方程，方程為：Y=4.0885X0.11，相關(guān)系數(shù)為0.992，相關(guān)性較好，切變指數(shù)為0.11，擬合曲線見圖5。經(jīng)綜合分析后，景泰風(fēng)電場風(fēng)切變指數(shù)采用40～70m高度實測切變指數(shù),70～80m風(fēng)切變指數(shù)采用0.062。

圖5 測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速隨高度變化的擬合曲線

3.6 50年一遇最大風(fēng)速

根據(jù)景泰氣象站1975～2004年實測年最大風(fēng)速，采用極值I型概率分布統(tǒng)計出50年一遇10m最大風(fēng)速為21.4m/s，極大風(fēng)速為30.0m/s。50年一遇最大風(fēng)速計算公式為：

式中：V為風(fēng)速；u=12.2為分布位置參數(shù)；α=0.423為分布尺度參數(shù)。

推算至80m高度50年一遇極大風(fēng)速為37.7m/s (切變指數(shù)取0.11)，對測風(fēng)塔2008年1月1日至2009年12月31日70m高度實測大于19m/s的小時平均風(fēng)速與氣象站10m高度同期小時平均風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)的方程可列為：Y=0.7329X+16.218，相關(guān)系數(shù)為0.67，根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，測風(fēng)塔70m高度大于19m/s的風(fēng)速與同期氣象站10m高度風(fēng)速相關(guān)性較差，風(fēng)電場80m高度50年一遇極大風(fēng)速參考?xì)庀笳就叨鹊?0年一遇極大風(fēng)速。

3.7 湍流強度

湍流強度是指10分鐘內(nèi)風(fēng)速隨機變化幅度大小，是10分鐘平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比率，是風(fēng)電機組運行中承受的正常疲勞載荷，是風(fēng)機安全等級分級的重要參數(shù)之一，直接影響風(fēng)電機組的物理性能。風(fēng)電機組之所以會產(chǎn)生湍流，一方面是氣流流動時會受到地面的摩擦或者阻滯作用，另一方面是大氣溫度差異引起的氣流垂直運動。

15m/s風(fēng)速段湍流強度按下式計算[10-11]:

IT=σ/ V

式中:V為14.5m/s

將測風(fēng)塔實測各高度15m/s風(fēng)速段平均風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差代入上式計算，求出各高度湍流強度(見表6)。

表6 測風(fēng)塔各高度湍流強度

由表6可以看出景泰風(fēng)電場60～70m高度湍流強度在0.091～0.101之間，小于0.12，說明60～70m高度湍流相對較小。

4 風(fēng)能資源評價

從以上分析可知，該風(fēng)電場以南(S)風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)能頻率最高，盛行風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)能分布較集中，風(fēng)速春季大，秋冬季小。

根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》可以判定該風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級接近3級，由景泰氣象站近30年資料推算80m高度50年一遇極大風(fēng)速為37.7m/s,小于52.5m/s，湍流強度較小，有利于風(fēng)力發(fā)電機組長年安全運行和延長機組壽命。根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1(2005)標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)場應(yīng)選適合IECⅢc及其以上安全標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機。

景泰風(fēng)電場80m高度年有效風(fēng)速(3～25m/s)時數(shù)為7121h，風(fēng)速頻率主要集中在2～9m/s ,無破壞性風(fēng)速，且年內(nèi)變化小，全年均可發(fā)電。

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[責(zé)任編輯 龔 勛]

2016-06-17

郝軍(1967-)，男，陜西鳳翔人，工程師，主要從事新能源電力開發(fā)、建設(shè)、生產(chǎn)管理和研究。

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1008-4630(2016)05-0080-06