龍口海洋站風能資源分析與評價

楊麗芬，周玲，王斌，郝玉

（國家海洋局北海信息中心 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033）

龍口海洋站風能資源分析與評價

楊麗芬，周玲，王斌，郝玉

（國家海洋局北海信息中心 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033）

根據中國《風電場風能資源評估方法》和相關技術規定，對龍口海洋站的風能資源進行了分析與評價。結果表明，1995－2008年龍口海洋站10 m處的平均風速為6.8 m/s，年平均風功率密度為377 W/m2，年平均有效小時數為7589 h，主風向較為顯著，風能分布集中，湍流強度處于中等水平。龍口海洋站附近區域風能資源豐富，各項氣象條件建設風電場的要求，適宜發展風力發電。關鍵詞：風能資源；風功率密度；風能頻率；湍流強度

在再生資源中，風能的作用越來越受到人們的重視。風能資源作為一種重要的清潔型可再生能源，既能減少環境污染又能節省煤、水等資源，具有很高的環境價值。為了保護環境，中國逐年增大新能源發電的比例，預計到 2020年中國風電機組總裝機容量將達到3 000萬kW[1]。

中國風力資源居世界首位，通過對風能資源狀況的勘測調查，估算得到中國風能理論可開發總量為 32.26億 kW，實際可開發利用的風能資源總量為2.53億kW[2-3]。但是，中國的風能資源分布不均。沿海地區是我國最大風能資源區，已成為中國新能源開發利用的重要地區[4]。為了研究渤海沿岸萊州灣海區的風能資源狀況，本文對位于該海區的龍口海洋站的風能資源進行了分析與評價，為進行該地區風能開發提供科學依據。

1 龍口海洋站

龍口海洋站所處區域屬于溫帶季風型氣候，受季風影響顯著；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，其地理坐標為（37°41′N，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。氣象觀測場海拔高度24.2 m；風速器離地高度10.9 m。本文在進行風能資源分析與評價時，利用了龍口海洋站1995年7月至2008年12月間的逐時的風速、風向等氣象資料。

2 風能資源分析與評價

2.1 風能參數的計算方法

目前，計算某一地區的風能資源，主要使用該地區氣象站離地面10 m高度上的逐時測風數據。在中國，一般認為年平均風速大于5 m/s，全年3.0～25.0 m/s風速出現5 000 h以上的地區為風能資源豐富區，具有較大的開發利用價值[6]。

本文進行風能資源的分析與評價是根據《風電場風能資源評估方法》[7]（GB/T 18710-2002）中指定的處理方法和《全國風能資源評價技術規定》[7]（發改能源[2004] 865 號）中的相關技術規定進行的。其中，風能資源評估參數主要包括：風能方向頻率、風速頻率、有效小時數、風功率密度、風能密度、湍流強度等。

2.2 風能資源分析與評價結果

依據上述的統計、分析和計算方法，針對收集到的歷史資料特征，利用1995年7月－2008年12月期間的逐時風速、風向資料得到各項評估參數。根據1995－2008年間的平均風速可知3個代表年分別是：2005年為平均風速年，1997年為最大值年，2007年為最小值年。

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

2.2.1 風速 1974－2008年間的歷年年平均風速見圖1，龍口海洋站累年平均風速為6.4 m/s；年平均風速呈現明顯的“區間”現象，20世紀70年代，風速較小，均不超過5.2 m/s；80年代風速逐漸增大，平均風速最大達到了7.6 m/s；90年代之后風速趨于平穩，分布在6.4～7.2 m/s之間。可見，計算風能參數的1995年7月－2008年12月屬于平穩大風速階段，平均風速為6.8 m/s。累年平均風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月的平均風速相對較大，月平均風速的最大值出現11－12月份。季節變化顯著，夏季平均風速明顯偏小，其他3個季節風速較大。但是，即使在平均風速最小的7月份，風速也超過了5.6 m/s。

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

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

圖4 年風向玫瑰圖（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月風速的平均日變化不大，變幅在0.8 m/s以內，0－12時的風速大于 13－23時的風速，即上午的風速大于下午，白天的風速大于夜間。盡管夜間風速相對白天較小，但平均風速也超過了6.3 m/s。

2.2.2 風向 據龍口海洋站多年的氣象資料，該地區全年最多風向主要出現在NE和S兩個方向[4]。累年（1995－2008年）風向頻率分布見圖4。累年風向分布出現2個接近相反的主風向，即NE和S方向，這與之前的統計資料是相同的，2個風向發生頻率之和達到37%以上。

龍口海洋站受季風影響，風向頻率分布呈現顯著的季節變化。冬、春季節東北風偏多，夏、秋季節南風偏多。尤其在 4－6月份，南風的強勢特別顯著，發生頻率會超過30%；從8月份開始，偏北向的風發生頻率逐步增加。

表1 風功率密度等風能參數的統計計算結果（1996－2008年）Tab. 1 Results of wind power density and the other wind energy parameters, 1996-2008

2.2.3 有效小時數、風功率密度 目前通用的標準：年平均風功率密度大于200 W/m2為極豐富區，150～200 W/m2為豐富區，100～150 W/m2為較豐富區，50～100 W/m2為一般區，小于50 W/m2為貧乏區5個區域標準。龍口海洋觀測站歷年風功率密度見表1，1996－2008年間的年風功率密度均大于300 W/m2，達到了6級或以上，最大值為1997年的441.4 W/m2，所以，龍口海洋站附近區域的風能資源非常豐富，屬于極豐富區。

1996－2008年平均各月的風功率密度變化見圖5，可見：對應于6－8月份偏小的風速（圖2），風功率密度也偏小，最小值在 200 W/m2附近，風功率密度等級可達3級。對應于1－5月份和9－12月份較大的風速（圖2），風功率密度也較大，均超過300 W/m2，最大值可達600 W/m2以上。

由 1996－2008年間平均風功率密度的日變化（圖6）可以看出， 風功率密度的日變化較小，分布于325～425 W/m2之間，對應于風速的日變化特征（圖3），表現出上午大于下午、白天大于夜間的現象。但是，即使是1995年7月－2008年12月夜間，平均風功率密度等級也超過337 W/m2，達到了6級，依然是風能豐富時段。

圖5 風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 風速頻率與風能頻率分布 通過對各級風速和風能出現頻率以及全年風速和風能頻率分布的統計分析，3.0～25.0 m/s有效風速的出現頻率占 93.0 %，3.0～25.0 m/s風速的風能出現頻率占98.5 %，1995－2008年平均年風速和風能頻率分布見圖7。歷年年有效小時數見表1，1996－2008年間平均年有效風速小時數（3.0～25.0m/s風速年出現次數）為7 589，1997年最多，達到7 786。這也表明龍口海洋站附近地區風能資源極其豐富，可利用的有效風能所占比例也非常高。

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

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

2.2.5 風能方向分布 對應各年、各月的風能與風向的發生頻率相似，也是全年主要集中在NE和S2個方向，但東北風向的風能所占比例超過南風，1995－2008年平均的年風能方向分布見圖8。從各月的風能玫瑰圖風能優勢風向分布來看（表2），以平均值年（2005年）為例，4－7月份的南風的風能占絕對優勢，6月份達到最大，為52.6 %，以2007年6月為例，S向風能在全方位風能占56.8%；1－3月份、8－12月份偏北東北向的風能占絕對優勢，以1997年11月為例，NE向風能在全方位風能中的比例高達72.4 %。

表2 各月風能優勢風向及該風向風能所占比例（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 代表年的風速概率密度分布圖Fig.10 Probability density distributions of the wind velocity in representative years

2.2.6 風湍流強度、威布爾分布參數 風場的湍流強度特征對于評估風能資源的可開發性很重要，因為它對風力發電機組性能有不利影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端荷載，最終削弱和破壞風力發電機組。本文利用逐時的風速資料計算得到了歷年的湍流強度（見表1），以及代表年和多年平均湍流強度的年變化（見圖9）。結果表明，龍口海洋站附近地區湍流強度不大，累年平均的湍流強度為0.15，屬于中等程度，歷年的湍流強度值分布在0.16～0.21之間；3個代表年各月的湍流強度主要集中分布在0.1～0.2之間，僅在1997年8月份超過了0.25。

2.2.7 其他特殊氣候現象 根據龍口海洋站多年的氣象資料統計，該地區累年每年平均發生雷暴23.4次，以7月份發生次數最多；統計時段內，該地區沒有發生過沙塵暴現象；其他破壞性天氣出現也很少。從氣象條件分析，該地區比較適合發展風力發電。

3 風能資源評價結論

依據中國風能資源評估的參考依據，龍口海洋觀測站1995年7月－2008年12月間的資料及計算結果顯示：該區域的累年平均風速為6.4 m/s；有2個方向接近相反的主風向，NE方向和S方向。 1995－2008年的年平均風功率密度為377 W/m2，歷年的風功能密度都很大，均大于 300 W/m2，達到 6級或以上，可以很好地應用于并網風力發電；年平均有效風速小時數達到7 589，3.0～25.0 m/s風速的風能占到98%以上，可見該區域的風能資源非常豐富，可利用的有效風能所占比例也很大； NE風和S風為主導能量風向，NE方向的風能分布頻率大于S方向；湍流強度集中分布在0.1～0.2之間，屬于中等程度，適合風力發電機組運行。另外，根據龍口海洋站氣象資料統計，該地區沒有極端惡劣的氣候環境，沙塵暴在歷史記錄中基本沒有，每年發生的雷暴現象也比較少。

各項風能資源評價參數的結果顯示，龍口海洋站附近海區風能資源豐富，特殊惡劣天氣現象稀少，各項風力條件均達到了建設風電場的要求，該地區的風能資源具有一定的開發利用價值。

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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

渤海海洋環境信息集成及動態管理技術示范應用（200905030）。

楊麗芬 ( 1983－ )，女，碩士，助理工程師。主要從事海洋數據資料開發及服務工作。電子郵箱：green-1983@163.com。