上海海域站位觀測風(fēng)能資源分析

胡炯炯，陳旻豪，孔 莉，仇中柱

(1.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200120；2.上海海洋中心氣象臺(tái)，上海 201306；3.上海市嘉定區(qū)氣象局，上海 201800)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗、需求急劇增加。傳統(tǒng)能源煤炭不僅儲(chǔ)量有限，而且會(huì)污染環(huán)境。根據(jù)《“十三五”能源規(guī)劃》，我國在“十三五”期間煤炭消費(fèi)比重降低到58%以下[1-2]，海上風(fēng)能的開發(fā)利用是完成這一任務(wù)的重要途徑之一，因此海上風(fēng)電項(xiàng)目的進(jìn)行勢在必行[3]。國電舟山普陀6號(hào)海上風(fēng)電場2區(qū)工程總裝機(jī)規(guī)模為252 MW；三峽新能源鹽城有限公司江蘇大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)電場規(guī)劃裝機(jī)總量為300 MW，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年上網(wǎng)電量約7.97×108kW·h，可滿足50萬戶家庭1年的用電需求[4]。據(jù)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2019年3月底，我國已建成投運(yùn)海上風(fēng)電36項(xiàng)，累計(jì)投運(yùn)容量3.695×106kW，投運(yùn)機(jī)組1 007臺(tái)[5]。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)首個(gè)水深超過40 m的海上風(fēng)電項(xiàng)目已開工建設(shè)，風(fēng)機(jī)布置離海岸線31～50 km處，平均水深為36～45 m[6-7]。根據(jù)國際主流技術(shù)來看，深遠(yuǎn)海風(fēng)電通常是水深超過50 m，深遠(yuǎn)海與近海相比風(fēng)速更大，風(fēng)力更穩(wěn)定，海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展是未來趨勢[8-9]。Zheng等(2012)利用1988—2009年東海和南海海域高精度、長時(shí)間序列的多平臺(tái)交叉校正(Cross-Calibrated Multi-Platform, CCMP)風(fēng)場資料計(jì)算風(fēng)能密度，發(fā)現(xiàn)東海、南海大部分海域風(fēng)能密度年平均值大于100 W/m2，進(jìn)而對東海和南海的風(fēng)能進(jìn)行了分區(qū)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)東海、南海7月風(fēng)能密度穩(wěn)定性為全年最差，研究結(jié)果可為風(fēng)力發(fā)電廠選址提供參考[10]。肖晶晶等(2017)基于1988—2011年CCMP風(fēng)場資料對中國海域的風(fēng)能資源進(jìn)行分析評估，研究了中國海域風(fēng)能資源的空間格局及氣候變化特征，并進(jìn)行風(fēng)能資源劃分[11]，Nie等(2018)利用28 a的CCMP風(fēng)場資料，研究了中國沿海水深低于250 m的海域海上風(fēng)能的技術(shù)潛力，為了避免風(fēng)電密度的錯(cuò)誤估計(jì)，提出了一種考慮海況影響的統(tǒng)計(jì)模型，利用該模型對CCMP長期風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，在GIS平臺(tái)上分析了風(fēng)電密度、水深、風(fēng)機(jī)規(guī)模、風(fēng)電場布局和各種空間約束等因素的影響規(guī)律[12]。關(guān)于近、遠(yuǎn)海的風(fēng)能資源對比分析目前主要基于衛(wèi)星遙感、CCMP風(fēng)場資料來開展，而通過海上實(shí)測氣象資料對比分析近、遠(yuǎn)海風(fēng)能資源的報(bào)道較少。本研究通過對距上海市海岸較遠(yuǎn)的浮標(biāo)和距海岸較近的燈船實(shí)測氣象資料進(jìn)行分析、對比和評價(jià)，旨在為深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源的開發(fā)提供參考。

1 氣象站點(diǎn)及方法

1.1 氣象站點(diǎn)

東海浮標(biāo)和南槽燈船是上海海洋中心氣象臺(tái)用于測試海洋氣象的兩個(gè)海上站點(diǎn)(圖1)，其空間位置分布示意如圖2所示。

圖1 海上氣象站

圖2 海上氣象站點(diǎn)空間位置分布

東海浮標(biāo)距海岸約200 n mile，代表深遠(yuǎn)海，南槽燈船距海岸約50 n mile，代表近海，兩個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速傳感器都采用的是美國R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的05106螺旋槳式風(fēng)速風(fēng)向儀。兩個(gè)海上氣象站的具體信息如表1所示。

表1 海上氣象站信息

1.2 評估方法

本研究采用2013—2018年期間兩個(gè)站點(diǎn)的10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向資料對風(fēng)能資源進(jìn)行評估。首先，讀取10 min平均風(fēng)速，進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)和處理，然后轉(zhuǎn)換成小時(shí)平均數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，東海浮標(biāo)和南槽燈船2013—2018年中每年的測風(fēng)數(shù)據(jù)缺測率分別為 19.4%和11.3%，合理性檢驗(yàn)表明，所測風(fēng)速大小的范圍合理；根據(jù)《風(fēng)電場氣象觀測資料審核、插補(bǔ)與訂正技術(shù)規(guī)范》[13]的要求，當(dāng)主測試點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測時(shí)，利用輔觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，但是兩個(gè)站點(diǎn)并沒有設(shè)置輔觀測點(diǎn)，對于發(fā)現(xiàn)的缺測數(shù)據(jù)，本研究根據(jù)文獻(xiàn)[13]的相關(guān)要求進(jìn)行處理，即“將備用的或可供參考的傳感器同期記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理，替換已確認(rèn)為無效的數(shù)據(jù)或填補(bǔ)缺測的數(shù)據(jù)”。本研究風(fēng)能資源的分析與評估按照《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[14]和《全國風(fēng)能資源評價(jià)技術(shù)規(guī)定》[15]中的相關(guān)方法進(jìn)行。其中，風(fēng)能資源主要評估參數(shù)包括風(fēng)速，風(fēng)功率密度，風(fēng)速、風(fēng)能頻率，風(fēng)向、風(fēng)能方向分布，湍流強(qiáng)度等。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速

2013—2018年東海浮標(biāo)和南槽燈船處的年平均風(fēng)速變化如圖3所示。從圖3可以看出，東海浮標(biāo)的年平均風(fēng)速均高于南槽燈船。2018年東海浮標(biāo)處的年平均風(fēng)速達(dá)到最大值(6.90 m/s)，比南槽燈船年平均風(fēng)速大18.5%。東海浮標(biāo)處的累年平均風(fēng)速達(dá)到6.30 m/s，而南槽燈船處的累年平均風(fēng)速為5.80 m/s，東海浮標(biāo)處的累年平均風(fēng)速比南槽燈船高了8.6%。

圖3 2013—2018年平均風(fēng)速值

累年的時(shí)平均風(fēng)速變化如圖4所示。從圖4可以看出，累年平均風(fēng)速逐時(shí)變化不大，東海浮標(biāo)處的時(shí)平均風(fēng)速均大于南槽燈船處的風(fēng)速，且變化趨勢大致相同。東海浮標(biāo)和南槽燈船處8—20時(shí)的平均風(fēng)速大于20時(shí)至次日8時(shí)的平均風(fēng)速，白天的風(fēng)速大于夜間的風(fēng)速。對于東海浮標(biāo)處，5—10時(shí)和17—22時(shí)風(fēng)速較大，大于平均風(fēng)速(6.33 m/s)。而對于南槽燈船處，16—23時(shí)風(fēng)速大于平均風(fēng)速(5.81 m/s)。一天當(dāng)中東海浮標(biāo)處風(fēng)速較大的持續(xù)時(shí)間長于南槽燈船處。

圖4 2013—2018年風(fēng)速逐時(shí)值

2.2 風(fēng)功率密度

2013—2018年東海浮標(biāo)和南槽燈船處年平均風(fēng)功率密度變化如圖5所示。從圖5可以看出，東海浮標(biāo)處歷年的風(fēng)功率密度大部分大于300.0 W/m2，南槽燈船處歷年的風(fēng)功率密度分布于200.0～300.0 W/m2之間，東海浮標(biāo)處的年平均風(fēng)功率密度均大于南槽燈船處。東海浮標(biāo)處累年的平均風(fēng)功率密度為345.1 W/m2，南槽燈船處為239.5 W/m2，相差100.0 W/m2以上，東海浮標(biāo)處累年的平均風(fēng)功率密度比南槽燈船處高44.1%。這是因?yàn)轱L(fēng)功率密度主要與大氣壓、氣溫和風(fēng)速有關(guān)，深遠(yuǎn)海處的大氣壓、氣溫與近海處的大氣壓、氣溫相差不大，但是深遠(yuǎn)海處的風(fēng)速比近海處的風(fēng)速高，因此，深遠(yuǎn)海處的風(fēng)功率密度比近海處的風(fēng)功率密度大。

圖5 2013—2018年年平均風(fēng)功率密度

東海浮標(biāo)處和南槽燈船處累年平均風(fēng)功率密度的逐時(shí)變化如圖6所示。東海浮標(biāo)處的風(fēng)功率密度均大于南槽燈船處，且變化趨勢基本一致。東海浮標(biāo)處的風(fēng)功率密主要分布在293.5～319.8 W/m2之間，而南槽燈船處的風(fēng)功率密度主要分布在225.5～252.6 W/m2之間。東海浮標(biāo)處風(fēng)功率密度比南槽燈船處大26.6%～30.2%。

圖6 2013—2018年風(fēng)功率密度逐時(shí)變化

2.3 風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布

以1.00 m/s為一個(gè)風(fēng)速區(qū)間，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到2013—2018年風(fēng)速頻率與風(fēng)能頻率分布，如圖7、8所示。

圖7 風(fēng)速分布直方圖

取3.00～25.00 m/s為有效風(fēng)速[15]。東海浮標(biāo)處有效風(fēng)速的頻率為77.2%，有效風(fēng)速的風(fēng)能頻率為99.8%，都較高。南槽燈船處有效風(fēng)速的頻率為77.0%，有效風(fēng)速的風(fēng)能頻率為99.8%，都比較高。

圖8 風(fēng)能分布直方圖

2.4 風(fēng)向、風(fēng)能方向分布

通過對氣象資料進(jìn)行分析處理，東海浮標(biāo)處和南槽燈船處的累年風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能玫瑰圖如圖9、10所示。

圖9 風(fēng)向玫瑰圖

從圖9可以看出，東海浮標(biāo)處的主風(fēng)向?yàn)镹NE向和NE向；南槽燈船處的主風(fēng)向?yàn)镋向和ENE向。從圖10可以看出，東海浮標(biāo)處的風(fēng)能主要集中在NNE向和NE向；南槽燈船處的風(fēng)能主要集中在NE向和ENE向。表2給出東海浮標(biāo)處和南槽燈船處各風(fēng)向上風(fēng)能的占比，東海浮標(biāo)處風(fēng)能與風(fēng)向的規(guī)律相似，均集中在NNE向和NE向，這兩個(gè)風(fēng)向的風(fēng)能占全方位風(fēng)能的33.57%；南槽燈船處的風(fēng)能與風(fēng)向的規(guī)律不一致，兩個(gè)主風(fēng)向E向、ENE向的風(fēng)能僅占全方位風(fēng)能的26.52%，而NE向和ENE向的風(fēng)能占全方位風(fēng)能的30.60%。

表2 不同站點(diǎn)不同風(fēng)向的風(fēng)能占比

圖10 風(fēng)能玫瑰圖

2.5 湍流強(qiáng)度

為了進(jìn)行風(fēng)能資源的開發(fā)利用，弄清風(fēng)場的湍流特征十分重要，因?yàn)樗鼘︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不利影響，主要表現(xiàn)為減少輸出功率，還可能引起極端荷載，最終削弱和破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，表3給出了湍流強(qiáng)度(It)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]。

表3 湍流強(qiáng)度程度表

通過2013—2018年氣象站點(diǎn)的風(fēng)速資料分析計(jì)算得到東海浮標(biāo)處和南槽燈船處歷年的湍流強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。計(jì)算結(jié)果表明，東海浮標(biāo)處和南槽燈船處歷年的湍流強(qiáng)度不大，東海浮標(biāo)處歷年的湍流強(qiáng)度值分布在0.065～0.179之間，南槽燈船處歷年的湍流強(qiáng)度值分布在0.109～0.155之間。根據(jù)表3的劃分標(biāo)準(zhǔn)，東海浮標(biāo)處湍流強(qiáng)度的累年平均值為0.114，比南槽燈船處(0.125)低8.8%，均屬于中等湍流程度，其中僅在2013年和2017年的湍流強(qiáng)度比南槽燈船處高，2016年和2018年的湍流強(qiáng)度值小于0.100，湍流程度相對較小。

表4 不同站點(diǎn)的逐年湍流強(qiáng)度表

3 結(jié)論

本研究依據(jù)東海浮標(biāo)和南槽燈船2個(gè)氣象站點(diǎn)2013—2018年實(shí)測氣象資料，對東海近海和深遠(yuǎn)海的風(fēng)能資源進(jìn)行評估，得到如下結(jié)論：

(1)東海浮標(biāo)處累年的平均風(fēng)功率密度為345.1 W/m2比南槽燈船處高44.1%，二者風(fēng)功率密度相差100.0 W/m2以上，東海浮標(biāo)處歷年的風(fēng)功率密度大部分大于300.0 W/m2，達(dá)到6級，對實(shí)施并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目很有利，而南槽燈船處歷年的風(fēng)功率密度分布于200.0～300.0 W/m2區(qū)間，達(dá)到3級或以上，可以較好地實(shí)施并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電；

(2)東海浮標(biāo)處的有效風(fēng)速的風(fēng)能占比高達(dá)99.8%，南槽燈船處的有效風(fēng)速的風(fēng)能占比達(dá)到99.8%，二者均比較高，對實(shí)施風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目十分有利；

(3)東海浮標(biāo)處的湍流強(qiáng)度累年平均值為0.114比南槽燈船處(0.125)低8.8%，對風(fēng)力機(jī)組輸出功率的影響比南槽燈船處小，極端載荷出現(xiàn)的幾率也比南槽燈船處低。