風能資源評估統(tǒng)計方法實例研究

王起峰

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

受化石能源資源日趨枯竭、環(huán)境保護等的驅(qū)動，自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都開始重視風能的開發(fā)利用。國際上風能開發(fā)利用的主要形式是風力發(fā)電。我國風能資源十分豐富，開發(fā)前景廣闊，風力發(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，風能資源豐富。在風電場設(shè)計的可行性研究階段，風資源評估是一項十分重要的工作，其成果直接決定該工程能否盈利，風資源評估內(nèi)容豐富：測風數(shù)據(jù)整理、檢驗與處理；實測年風能要素計算；代表年風能要素計算；風切變指數(shù)；50年一遇最大風速；湍流強度；威布爾分布；IEC等級等等統(tǒng)計內(nèi)容。本文主要介紹風功率密度及IEC等級。

1 風功率密度

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

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

vi3為第i個記錄的風速值的立方。

平均風功率密度的計算應是設(shè)定時段內(nèi)逐小時風功率密度的平均值。根據(jù)中華人民共和國國家標準《風電場風能資源評估方法》，風功率密度蘊含風速、風速分布和空氣密度的影響，是風場風能資源的綜合指標，風功率密度等級見表1。

表1 風功率密度等級

2 IEC等級

根據(jù)IEC61400-1：2005-8關(guān)于安全等級的規(guī)定，IECI～III的風機，抗50年一遇十分鐘最大風速分別為50m/s、42.5m/s、37.5m/s。湍流強度特性級A、B、C對應的湍流強度值為0.16、0.14、0.12。

IEC等級對于風機選型具有特殊的要求，根據(jù)其要求，主要考慮兩個方面的數(shù)值：50年一遇10min最大風速和湍流強度。

2.1 50年一遇10min最大風速

根據(jù)全國風能資源評價技術(shù)規(guī)定，測站50年一遇極端風速值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 湍流強度

大氣湍流強度表示瞬時風速偏離均值的程度，是評價氣流穩(wěn)定程度的指標，其大小關(guān)系到風電場資源質(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)。風能資源評估中湍流指標采用相同時段的平均風速和標準偏差計算湍流強度。本次數(shù)據(jù)記錄時段采用10min平均值進行湍流強度的計算，公式為：

3 應用研究

本研究以山東某縣風電場工程為實例，介紹風資源評估步驟。

為了合理有效的開發(fā)風電場，在風電場安裝了一臺70m高的測風塔進行測風工作，分別在70m、60m、50m、30m、10m高度各安裝了一個風速儀，并在70m、10m高度各安裝了一個風向儀，測風儀器采用美國NRG公司制造的Symphonies測風設(shè)備。距離風電場最近的氣象站位于風電場東北約13km處，在收集了一整年測風數(shù)據(jù)后，經(jīng)過檢驗、處理后得到一套完整年的測風數(shù)據(jù)。根據(jù)風場附近長期測站的觀測數(shù)據(jù)，將驗證后的風場測風數(shù)據(jù)訂正為一套反映風場長期平均水平的代表性數(shù)據(jù)，然后采用公式(1)計算輪轂高度處的風功率密度和平均風速，見圖1。

圖1 風電場代表年風逐月風功率密度

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

該地區(qū)的相關(guān)歷史氣象資料進行具體分析，計算得出氣象站50年一遇最大風速為19.21m/s。用氣象站與測風塔70m日最大風速相關(guān)分析，采用風切變指數(shù)推導到輪轂高度處，其50年一遇最大風速為33.49m/s。

計算輪轂高度處實測年15m/s風速下的湍流強度為0.1087。

4 結(jié)論

(1)本風電場年平均風功率密度約為253W/m2，平均風速約為6.2m/s，根據(jù)風功率密度等級表，本風電場為2級風場，具有一定的開發(fā)價值。

(2)本風電場50年一遇最大風速為33.49m/s，輪轂高度處湍流強度為0.1087，根據(jù)IEC等級標準，本風電場風機選型時應選擇IEC IIIC以上的風機。

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