景泰風電場風能資源評估

郝 軍，潘忠濤，王 璟

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

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景泰風電場風能資源評估

郝 軍，潘忠濤，王 璟

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

風能資源的開發是目前新能源開發的重點領域。在此以景泰風電場所在地區氣象站資料和風電場測風塔的測風數據為例，通過對景泰風電場80m高度風能資源進行計算，結果表明該風電場80m高度年有效風速時數為7121h，風功率密度接近3級，風速頻率主要集中在2m/s～9m/s,無破壞性風速, 年內變化小，湍流強度較小,全年均可發電。此結果為景泰風電場的開發建設提供了理論基礎，也為加快區域風資源評估提供了理論依據。

風電場；風資源計算；風能資源評估；景泰

1 引言

能源與環境是全球共同面臨的重大問題，加快開發利用可再生能源是解決人類能源和環境問題的必由之路。風電是綠色可再生能源，發展風電等清潔能源是實施能源可持續發展戰略的重要措施。雖然風電場的選址受風能資源、自然地理、電網結構、社會經濟條件等多種因素的制約，但風能資源是其決定性因素，是風電場建設的前提條件，直接決定風電場建成后的成敗。因此，風電場建成后能否發揮預期的經濟效益，風能資源評估便成為項目選址階段最關鍵的環節。但由于風電場所在區域地理環境的差異，各擬建風能資源評估所采用的方法也不盡相同[1-9]，本文結合景泰氣象站近30年的氣象數據和擬建風電場10m、40m、70m高度的測風數據，利用Wasp軟件對景泰風電場的平均風速、風功率密度、風向、湍流強度等進行計算，為該風電場的建設提供理論依據。

2 區域風資源

景泰縣地處季風區與非季風區過渡地帶，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，距離擬建的景泰風電場場址10km。景泰氣象站與景泰風電場主要氣候特征基本一致，景泰氣象站可以作為景泰風電場的氣象參照站。

根據景泰氣象站1971～2000年近30年氣象資料統計，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12d，雷暴日數15d，呈現出明顯的大陸性氣候特征。

2.1 年平均風速

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

圖1 景泰年平均風速變化

2.2 月平均風速

根據景泰氣象站1980～2009年各月平均風速統計，該地區3～5月風速較大，9月至翌年1月風速較小(見圖2)。擬建風電場建成后設備的檢修工作，可以充分利用區域風速年內月變化這一特點，多在每年的8～10月進行，提高風能資源的利用率，增加發電量。

圖2 景泰月平均風速變化

2.3 風向玫瑰圖

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

圖3 景泰氣象站風向玫瑰圖

在風機的排布過程中，根據區域的主導風向，考慮上風向風機對下風向風機的尾流影響，以減少風機之間的尾流造成的電量損失。

2.4 風電場測風資料

按照GB/T18710-2002 《風電場風能資源評價辦法》，采用北京木聯能軟件公司編制的《風電場測風數據驗證和評估軟件》2.0版，對測風塔的實測數據分別進行完整性檢驗、范圍檢驗、相關性檢驗和風速變化趨勢檢驗。

2.4.1 檢驗項目

(1)小時平均風速值范圍為0～40m/s；

(2)風向值范圍0～360°；

(3)當切入風速大于5.0m/s時，風速和風向連續6h無變化；

(4)小時平均風速變化小于6.0m/s；

(5)相隔高度在1～20m條件下平均風速差小于2.0m/s；

(6)相隔高度在21～40m條件下平均風速差小于4.0m/s；

(7)當切入風速大于5.0m/s時，風速標準差值小于10。

測風塔共有2007年5月至2009年12月共計32個月的測風數據，其中2008年和2009年測風數據出錯較少，且數據完整率較高，選取測風塔2008年1月1日至2009年12月31日完整兩年的測風數據進行檢驗分析計算。

測風塔2008年1月1日至2009年12月31日的測風時段共有100892條記錄，缺測1372條記錄，數據完整率為98.6%。

2.4.2 合理性檢驗結果

對測風塔的測風數據進行范圍檢驗、相關性檢驗和風速變化趨勢檢驗，檢驗后列出所有不合理的數據及對應的時間，對不合理數據再次進行判斷，挑出符合實際情況的有效數據，回歸原始數據組。檢驗處理后測風塔不同高度實測風速統計見表1。

表1 測風塔不同高度實測月平均風速統計表

2.5 測風數據訂正

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

依據現有景泰氣象站2008～2009年逐小時風速風向數據與測風塔同期資料進行相關分析，總體相關系數為0.542，相關性較差；分扇區分析結果顯示兩者相關性亦較差，其主要原因是由于場址周圍特殊的地形條件所致，故本次對測風資料不再進行訂正處理。

3 風電場風資源計算

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

3.1 空氣密度

根據景泰縣氣象站近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，風電場平均海拔高程為1750m，推算至風電場的空氣密度為1.019kg/m3。

3.2 平均風速及風功率密度

測風塔不同高度代表年月平均風速統計見表2，80m高度風速由70m高度風速數據推算(切變指數取測風塔40～70m間實測切變)，風向直接采用70m高度風向。

測風塔80m高度年平均風速為6.52m/s，年有效風速(3～25m/s)時數為7121h，平均風功率密度為302W/m2。

表2 測風塔不同高度代表年月平均風速、風功率密度統計表

3.3 風頻曲線

風頻曲線采用威布爾分布，概率分布函數用下式表示：

式中：V為風速；A、K為威布爾參數[10-11]。

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

圖4 測風塔80m高度平均風速威布爾分布圖

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

3.4 風速、風向特性

測風塔80m高度風向和風能分布統計見表3，從表中可以看出,場區內以東南(SE)風的風速最大和頻次最高，其次為南東南(SSE)風。

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

表3 測風塔80m高度風向和風能分布統計

表4 測風塔80m高度風速、風能頻率分布表

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

風速一日之內的變化是十分復雜的，難以用一條曲線表示。從總體情況看，該區域風速白天大，晚上小。風速峰值出現在上午9～10點，谷值出現在23點左右。

3.5 風切變指數

風切變指數按下式計算:

V2:高度Z2的風速,m/s；V1:高度Z1的風速,m/s。

測風塔不同高度測風資料計算的風切變指數見表5。

表5 測風塔不同高度風切變指數表

由上表可以看出，測風塔40～70m切變指數為0.062， 風速的垂直切變較小。擬合測風塔不同高度及其對應風速相關關系的方程，方程為：Y=4.0885X0.11，相關系數為0.992，相關性較好，切變指數為0.11，擬合曲線見圖5。經綜合分析后，景泰風電場風切變指數采用40～70m高度實測切變指數,70～80m風切變指數采用0.062。

圖5 測風塔不同高度風速隨高度變化的擬合曲線

3.6 50年一遇最大風速

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

式中：V為風速；u=12.2為分布位置參數；α=0.423為分布尺度參數。

推算至80m高度50年一遇極大風速為37.7m/s (切變指數取0.11)，對測風塔2008年1月1日至2009年12月31日70m高度實測大于19m/s的小時平均風速與氣象站10m高度同期小時平均風速進行相關性分析，相關的方程可列為：Y=0.7329X+16.218，相關系數為0.67，根據相關性分析結果，測風塔70m高度大于19m/s的風速與同期氣象站10m高度風速相關性較差，風電場80m高度50年一遇極大風速參考氣象站同高度的50年一遇極大風速。

3.7 湍流強度

湍流強度是指10分鐘內風速隨機變化幅度大小，是10分鐘平均風速的標準偏差與同期平均風速的比率，是風電機組運行中承受的正常疲勞載荷，是風機安全等級分級的重要參數之一，直接影響風電機組的物理性能。風電機組之所以會產生湍流，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

將測風塔實測各高度15m/s風速段平均風速和相應風速標準偏差代入上式計算，求出各高度湍流強度(見表6)。

表6 測風塔各高度湍流強度

由表6可以看出景泰風電場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 風能資源評價

從以上分析可知，該風電場以南(S)風的風向和風能頻率最高，盛行風向穩定，風能分布較集中，風速春季大，秋冬季小。

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

景泰風電場80m高度年有效風速(3～25m/s)時數為7121h，風速頻率主要集中在2～9m/s ,無破壞性風速，且年內變化小，全年均可發電。

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[責任編輯 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、建設、生產管理和研究。

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1008-4630(2016)05-0080-06