兩個新參數(shù)在云南山地風(fēng)電場風(fēng)能資源評估中的適用性分析

金燕 王學(xué)鋒 范立張

（云南省氣候中心，昆明 650034）

0 引言

風(fēng)能資源評估主要包括點評估和區(qū)域評估，前者是指利用測風(fēng)塔（站）觀測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對風(fēng)能資源各項參數(shù)進行直接計算評估；后者針對區(qū)域，主要依賴大氣數(shù)值模擬技術(shù)，即基于大氣動力學(xué)和熱力學(xué)基本原理來描述近地層大氣的運動過程以及地形、地貌對大氣運動的影響[1]。

隨著風(fēng)能資源開發(fā)利用的快速推進，區(qū)域風(fēng)能資源評估技術(shù)得到了迅速發(fā)展[2-4]，風(fēng)電場風(fēng)能資源數(shù)值模擬技術(shù)由一些商業(yè)軟件提供技術(shù)支持[5-6]。而在風(fēng)電場工程的風(fēng)能資源評估中，基礎(chǔ)參數(shù)的選擇主要還是依據(jù)國家標準[7]，其對風(fēng)能資源的能量指標評判主要參數(shù)是實測風(fēng)速和風(fēng)功率密度。楊振斌等[8]考慮到空氣密度、風(fēng)速頻率分布是影響風(fēng)能大小的兩個重要因子，提出了相當風(fēng)速、有功風(fēng)功率密度兩個新參數(shù)，旨在為準確進行風(fēng)能資源評價提供更恰當?shù)脑u價指標，并進行了試驗性分析。

由于云南風(fēng)電場位于山地[9]，風(fēng)能資源分布極為復(fù)雜，一些新技術(shù)和新方法在投入應(yīng)用時，相關(guān)工程技術(shù)人員進行了一些探索，例如在風(fēng)電場選址方法[10]、針對區(qū)域風(fēng)能資源模擬[11]、對山地風(fēng)電場風(fēng)能資源模擬軟件的驗證[12]等，都做了一些工作。但對于基礎(chǔ)參數(shù)，相當風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度兩個新參數(shù)是否適用，需要進行探索和試驗研究。因此，以云南山地風(fēng)電場測風(fēng)塔觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對兩個新參數(shù)與實測風(fēng)速和風(fēng)功率密度進行對比分析，以探索其在山地風(fēng)電場中的適用性，為山地風(fēng)電場風(fēng)資源評價提供更有意義的參考依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 資料

本文選取位于云南東部典型山地、丘陵地帶的楊梅山風(fēng)電場兩個觀測年限較長、資料相對完整的測風(fēng)塔風(fēng)速觀測資料作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，測風(fēng)塔基本情況見表1。

表1 測風(fēng)塔基本情況Table 1 Basic information about the wind towers

觀測設(shè)備采用NRG系統(tǒng)，觀測參數(shù)及取樣情況見表2，由于風(fēng)機輪轂高度距離地面均在60 m以上，本文選取65 m高度逐10 min平均風(fēng)速作為風(fēng)速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2 研究數(shù)據(jù)基本情況Table 2 Basic information about the research data

針對風(fēng)速、氣溫和氣壓資料的完整性檢驗、關(guān)系檢驗及缺測數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)文獻[13]的數(shù)據(jù)檢驗和數(shù)據(jù)插補相關(guān)要求進行。

1.2 計算方法

根據(jù)楊振斌等[8]提出的既兼顧空氣密度又考慮風(fēng)速頻率分布的風(fēng)能資源豐歉的直觀判斷參數(shù)相當風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度的計算公式，對2011年1月1日—2013年12月31日間的兩個風(fēng)速儀所記錄的逐10 min平均風(fēng)速，計算相當風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度，計算公式分別為：

式中，Vi(i=1,…, n)為實測風(fēng)速，就本文而言，即風(fēng)速儀所記錄的逐10 min平均風(fēng)速。

式中，v1為啟動風(fēng)速； v2為切出風(fēng)速；p(v)為風(fēng)速概率分布密度函數(shù)，不同型號風(fēng)機都具有各自的“啟動風(fēng)速”，“切出風(fēng)速”（切出風(fēng)速指風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電的最大風(fēng)速，超過此風(fēng)速機組將切出電網(wǎng)，就是風(fēng)機會停機，停止發(fā)電），只有處于這兩個風(fēng)速區(qū)間的能量才能被風(fēng)機部分地轉(zhuǎn)換為電能，所以常常將“啟動風(fēng)速”和“切出風(fēng)速”之間的風(fēng)速稱為“有效風(fēng)速”。為不失一般性，本文“啟動風(fēng)速”和“切出風(fēng)速”分別取3.5和25.4 m/s。

2 平均風(fēng)速與相當風(fēng)速的對比分析

2.1 風(fēng)速年變化

圖1給出了1#和2#測風(fēng)塔65 m高度實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve年變化，從逐日的實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve來看，兩個序列的相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗。由圖可知，兩個測風(fēng)塔65 m高度風(fēng)速和相當風(fēng)速在一年中的變化趨勢一致，1—5月較大，7—9月較小，均呈現(xiàn)出明顯的冬春季大、夏秋季小的全年兩季風(fēng)特征，這與云南其他山地風(fēng)電場風(fēng)速年變化特征一致。

圖1 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve年變化Fig. 1 The annual change of Vre and Ve about tower No.1 (a)and No. 2 (b)

進一步分析兩個觀測點年均逐日實測風(fēng)速與相當風(fēng)速之間的差值變化。從圖2可知兩者之間的差值在年內(nèi)呈現(xiàn)冬春季偏大，夏秋季偏小的特征，與風(fēng)速的年變化規(guī)律一致。

圖2 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve差值年變化Fig.2 Annual changes in the differences in Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

云南山地風(fēng)場的海拔一般均在2000 m以上，年平均氣溫不高于12 ℃，根據(jù)平均空氣密度公式推算得出兩個測風(fēng)塔空氣密度大致在0.90附近，由此分析也可以印證相當風(fēng)速小于實測風(fēng)速。

從表3可以看出，1#和2#測風(fēng)塔在觀測時段內(nèi)年平均實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve差值分別為1.7和1.9 m·s-1，兩個變量間的差值季節(jié)性變化較為一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

表3 1#測風(fēng)塔和2#測風(fēng)塔實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve差值季節(jié)變化（單位：m·s-1）Table 3 Seasonal variation in the differences between Vre and Ve for towers No. 1 (a) and No. 2 (b) (unit: m·s-1)

由于相當風(fēng)速是從能量的角度出發(fā)來闡述風(fēng)速對風(fēng)能大小影響的一個量綱的參量，在某種意義上已經(jīng)擯棄了不做功的小風(fēng)速和大風(fēng)速，在年變化上相對平穩(wěn)。平均風(fēng)速在大風(fēng)季偏大，小風(fēng)季偏小，所以導(dǎo)致兩者的差值在年變化中呈現(xiàn)與平均風(fēng)速相同的變化趨勢。

同時，考慮到相當風(fēng)速是將某一平均風(fēng)速系列，折算到標準大氣下，服從瑞利分布的且具有相同能量的量綱參量，這樣就使得在不同下墊面、不同海拔條件下風(fēng)電場風(fēng)能資源的比較成為了可能，這才是在風(fēng)能資源評估中運用相當風(fēng)速概念的真正價值所在。

2.2 風(fēng)速頻率

圖3為兩個觀測點平均風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve的風(fēng)速頻率分布。由圖可見實測風(fēng)速較相當風(fēng)速更趨向于正態(tài)分布，相當風(fēng)速的風(fēng)頻在小風(fēng)速段所占比例較高，同時大風(fēng)速段所占比例減小。結(jié)合相當風(fēng)速推導(dǎo)公式來看，相當風(fēng)速是折算為標準大氣壓下的實際用來做功的那部分風(fēng)速，同時還考慮了空氣密度這一物理量。由于山地風(fēng)電場多數(shù)建在山地高處，空氣受到地形的抬升與擠壓作用，在山脊處的風(fēng)速明顯高于山腳處，同時考慮空氣密度隨海拔的直減率，在山地高海拔地區(qū)空氣密度明顯低于平原。如果僅用實測風(fēng)速來衡量做功的大小，則與實際做功之間勢必會存在較大偏差，而選用相當風(fēng)速來代替實測風(fēng)速對山地風(fēng)電場進行資源評估，則能避免這一偏差的出現(xiàn)，能量指標更趨于實際，也更直觀。這也從側(cè)面印證了相當風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值存在大風(fēng)季大，小風(fēng)季小的變化特征。

圖3 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實測風(fēng)速Vre與相當風(fēng)速Ve風(fēng)速頻率分布Fig. 3 The wind speed frequency distribution of Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

3 平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度對比

圖4為兩個觀測點平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度的年均逐日分布圖，從逐日的平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We來看，兩個序列的相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗。由圖可知平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度全年的變化規(guī)律較為一致，即12月—次年4月風(fēng)功率密度偏大，6—10月風(fēng)功率密度偏小。

圖4 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We年變化Fig. 4 Annual changes in W and We from towers No. 1 (a)and No. 2 (b)

從兩者的差值變化來看（圖5），兩個觀測點的有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小，全年中，冬春季節(jié)兩者的差值偏小，夏秋季差值偏大，與風(fēng)速差值的年變化規(guī)律剛好相反。從公式來看，平均風(fēng)功率密度為平均風(fēng)速在整個統(tǒng)計時段內(nèi)所做的貢獻，而有功風(fēng)功率密度是有效風(fēng)速在整個統(tǒng)計時段內(nèi)所做的貢獻，所以有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小。從兩者的差值來看，由于云南在冬春季風(fēng)速偏大，風(fēng)機處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對平均風(fēng)能密度的直接貢獻就大，所以兩者的差值偏小；而在夏秋季風(fēng)速普遍偏小，風(fēng)機處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對平均風(fēng)能密度的直接貢獻就小，所以兩者的差值偏大。

圖5 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We差值年變化Fig. 5 Annual change in the difference of W and We from tower No. 1 (a) and No. 2 (b)

從表4可以看出，1#和2#測風(fēng)塔在觀測時段內(nèi)年平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We分別為1.6和1.2 W·m-2，兩個變量間的差值季節(jié)性變化較為一致，即在夏秋季差值偏大，一般在2.0～3.0 W·m-2，在冬春季差值偏小，一般小于 1.0 W·m-2。

表4 1#測風(fēng)塔和2#測風(fēng)塔實平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We差值季節(jié)變化（單位：W·m-2）Table 4 The seasonal variation in the difference of W and We for towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

4 結(jié)論

1）風(fēng)速和相當風(fēng)速的年內(nèi)變化一致，即冬春季大，夏秋季小；相當風(fēng)速較實測風(fēng)速偏小，兩者之間的差值在年內(nèi)變化與風(fēng)速變化規(guī)律也基本一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

2）從風(fēng)速頻率分布來看，相當風(fēng)速分布更為集中，摒棄了實測風(fēng)速對風(fēng)能不實際做功的部分，讓能量指標更趨于實際，也更客觀準確。

3）平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化一致，即冬春季大，夏秋季小；有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小，兩者之間的差值在全年中呈現(xiàn)冬春季偏小，夏秋季偏大的特征，即夏秋季差值一般在2.0～3.0 W·m-2，冬春季差值一般小于1.0 W·m-2，這主要由于云南在冬春季風(fēng)速偏大，風(fēng)機處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對平均風(fēng)能密度的直接貢獻就大，所以兩者的差值偏小；而在夏秋季風(fēng)速普遍偏小，風(fēng)機處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對平均風(fēng)能密度的直接貢獻就小，所以兩者的差值偏大。

4）綜合分析表明，對于云南山地風(fēng)電場而言，相當風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度對于風(fēng)能資源的表征較實測風(fēng)速和風(fēng)功率密度更接近資源的實際，使得在不同下墊面、不同海拔條件下風(fēng)電場的風(fēng)能資源的簡單比較成為了可能，作為一種資源評價指標加以應(yīng)用是有實際意義的。