广州南沙区风能资源评估

2016-09-18赵小伟祁秀香林中庆

广东气象 2016年4期

关键词：风塔时数功率密度

赵小伟，祁秀香，林中庆

（南沙区气象局，广东广州　511457）

广州南沙区风能资源评估

赵小伟，祁秀香，林中庆

（南沙区气象局，广东广州511457）

通过分析位于南沙区万顷沙十七涌的70 m风塔的2008年数据，对南沙区风能资源进行了分析，结果标明：2008年20 m高度上热带气旋对有效风功率密度的贡献率为17.8%，有热带气旋影响月份热带气旋对风功率密度平均贡献率达到34.7%。10、20、40、60 m 4个高度的有效风速时数介于3 278～5 862 h，根据风能区划等级中有效风速时数标准，四个高度的风能资源介于可利用区到丰富区之间；根据风能区划等级中年有效风功率密度标准，四个高度的年有效风功率密度介于84.0～148.6 W/m2，风能资源均属可利用区，综合有效风速时数和年有效风功率密度两个要素可确定南沙区风能资源属可利用区，不具备大型风电场并网发电的风能资源条件，但具备一定利用价值。

应用气象；风能资源；有效时数；风功率密度；广州南沙区

赵小伟，祁秀香，林中庆.广州南沙区风能资源评估［J］.广东气象，2015，38（4）：59-62.

风能资源评估是风能资源开发中一项极其重要的基础性工作，是确定风电场选址和装机容量及布置的依据。目前广东已建成投产的风电场主要分布在珠江口两侧和粤西、粤东沿海，风能发电量全国排名第二，但相对于丰富的风能资源来说，规模还较小，风能开发还有很大发展空间。20世纪80年代以来，我国对风能的研究逐渐深入，朱兆瑞等［1］研究了我国风能资源的储量及分布；毛慧琴等［2］开展了广东省风能资源的宏观区划和风电场选址区划研究；钱光明等［3］对广东省沿海风能储量及开发前景进行了分析；秦鹏等［4］对东莞市的风能资源进行了评估，结论是东莞市各区域均不具备大型风电场并网发电的风力资源条件。这些研究揭示了我国及广东地区的风能分布特征及开发利用前景。

正常情况下风能电机组的轮毂高度在50～65 m，叶片部分所能达到的最低高度约为25 m，常规气象站和自动站的风观测资料最高一般只有10 m，评估实际风能资源需要通过计算风切变指数来推算10 m以上高度的风速，而风切变指数受到地形地貌的影响，难以做到精确计算，在一定程度上影响了风能资源评估的准确性。本研究利用70 m风塔的观测资料，根据《风能资源技术评价规定》［5］，对南沙区的风能资源状况进行评估，并分析了南沙区风能资源的特点。

1　相关数据

1.1数据处理

选用位于南沙区万顷沙镇十七涌（22.68° N，113.64°E）的70 m风塔2008年所采集数据，包括10、20、40、60 m 4个高度的逐分钟平均风速，计算后得到逐时平均风速。该风塔位于南沙区南端，所处位置地势平坦，风塔附近G1017自动气象站2008年平均风速为2.8 m/s，与南沙气象探测基地2008—2012年年平均风速的5年平均值持平，因此该风塔2008年的数据在一定程度上能够代表南沙区整体风环境情况。此外，2008年十七涌风塔有效数据完整率达到99.81%，超过中华人民共和国国家标准（GB/ T18710-2002）《风电场风能资源评估方法》规定的90%［6］，可以用于评估南沙区风能资源情况。有效数据完整率按下式计算：

1.2数据订正

缺测数据的处理办法：某时次部分数据缺失，利用风速垂直切变指数和同时次其他高度的风速计算缺失部分数据；某时次全部数据缺失，则该时段不纳入计算。

不合理数据处理原则：若某时次出现部分风速数据不合理的情况时，如超过相关性检验和趋势检验标准，同样用风速垂直切变指数和同时次其他高度的风速计算缺失部分数据［7］。

风速垂直切变指数反映近地层风速的垂直变化，指数大小反映了随高度增加风速增大的快慢，指数大表示随高度增加风速增大快，风速梯度大；指数小表示随高度增加风速增大慢，风速梯度小［8］。

近地层风速的垂直分布主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。在中性大气层结下，幂指数方程可以较好地描述风速的垂直廓线［9-10］。国家标准GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》也推荐使用幂指数公式：

其中，v2为高度Z2处的风速（m/s）；v1为高度Z1处的风速（m/s）；α为风速垂直切变指数。

在没有具体数据的情况下，一般认为风速垂直切变指数等于1/7［11］。考虑冬季边界层对流不旺盛，地面风速稳定［12］，本研究使用2008年12月22日南沙区受强冷空气影响过程中的1 h（15：00）平均风速计算风塔所处位置的风速垂直切变指数，将求得的风速垂直切变指数代入公式（1），可将具体替换公式简化为：v40m=1.147 8× v20m；v60m=1.249 3×v20m；v60m=1.088 4×v40m，用于处理缺测和不合理数据，其中v为各高度的风速。

2　计算方法

评估风电场的风能资源状况，需要计算体现风能资源状况的风能特征参数，风能特征参数主要包括平均风速、有效风速时数、风功率、平均风功率密度、有效风功率密度。

1）平均风速。计算公式为

2）有效风速时数。

风电机启动需要克服摩擦等阻力影响，故不同风电机的启动风速不完全相同，一般情况下小型风电机为3 m/s，大型风电机为4～5 m/s。当风速过大则需要停机，保护风电机免受损坏，该风速称为“切断风速”，切断风速因各种机型的结构和性能而不同，一般为20～30 m/s。介于启动风速和切断风速之间的风速则称为“有效风速”，计算时段内有效风速的累计小时数即是有效风速时数。本研究设定风电机的启动风速为3.5 m/s、切断风速为20.5 m/s，即有效风速区间为3.5～20.5 m/s。

3）风功率。在单位时间内流过垂直于风速截面积的风能，即为风功率：其中P为风功率（W）；ρ为空气密度（kg/m3）；v为风速（m/s）；S为截面积（m2）。风功率与风速的立方成正比，正确选择风速是计算风能的关键参数。

4）风功率密度。风功率密度是单位时间内垂直通过单位截面积的风功率（W/m2），是评价地区风能潜力和大小的重要物理量。用公式（3）可计算出单位时间内各级风速下的风功率密度。再将计算时段内各月各个等级风功率之和除以总时数，即可得到计算时段内的平均风功率密度（W/m2）。

其中，vi为各等级风速区间内的加权平均风速（m/s），其中v0到v21分别代表v≤0.5、0.520.5风速区间内的加权平均风速（m/s）；Ni为相应等级风速在计算时段内出现的累计小时数（h）；N为计算时段内总时数（h）；ρ为计算时段内测站平均空气密度（kg/m3），取决于计算时段内的平均气温、平均气压、平均水汽压，估算公式如下：

其中，ρ为空气密度（kg/m）；t为平均气温（℃）；p为平均气压（hPa），e为平均水汽压（hPa）。

有效风功率密度：采用与年平均风功率密度一致的方法计算，但选择有效风速区间即介于3.5～20.5 m/s之间的风速数据进行计算。

3　风能资源分析

3.1平均风速

十七涌风塔各高度2008年平均风速：10 m为3.16 m/s、20 m为3.89 m/s、40 m为4.27 m/ s、60 m为4.60 m/s。显示风速随高度增加明显加大，但增速随高度增加递减。

各高度逐月平均风速变化趋势（图1）较为一致，最大月平均风速均出现在8月，最小月平均风速除10 m以外均出现在3月，10 m高度则出现在12月。从各高度逐月平均风速变化曲线的形状看，全年总体上存在3个风速波峰，分别是1、8、11月；2个波谷，分别是3和9月。

图1　南沙区十七涌风塔各高度2008年逐月平均风速变化曲线

3.2风速日变化

风塔各高度2008年的小时平均风速日变化曲线（图2）显示，各高度最小风速均出现在04：00—05：00；最大风速时段出现在16：00—19：00，且随高度增大，最大风速出现时间不断延后，呈现从低层向高层传递的特征。总体上，凌晨04：00—05：00风速最小，傍晚风速最大，白天风速大于夜间；早晨至傍晚风速呈增大趋势，傍晚至次日早晨风速呈减小趋势，风速变化的拐点出现在早晨前后。

图2　南沙区十七涌风塔各高度2008年小时平均风速日变化

3.3风速频率

将风速以1 m/s为间隔划定风速区间，统计年测风序列中每个风速区间内风速出现的频率。其中0代表风速v≤0.5 m/s，其余各风速区间的数字代表中间值，如4代表3.5

图3显示风塔各高度风速频率都呈现相同的正偏态分布，曲线中部最高是峰值区，向两侧伸展曲线降低，右侧向高风速区延伸。频率曲线的偏度和峰度与平均风速有关，风速小的地区，曲线陡峭，峰值靠近零值，表明风速频率集中在低值区，可利用风速出现时间少；风速大的地区，曲线较平缓，峰值向右推移，即曲线的峰度和偏度均减小，表明风频分散，较大风速出现机会多，意味着可利用风速时间长，风能利用条件好。10、20、40、60 m各高度风速频率曲线峰值对应的风速逐渐增大，但分布曲线陡峭程度不一样，60 m高度风速频率曲线平缓、重心右移，对应的较大风速多；10 m高度的曲线则陡峭，波峰靠左，对应风速偏小，且分布集中，风速波动较小，40和20 m高度的曲线介于二者之间。

图3　南沙区十七涌风塔各高度2008年风速-频率曲线

3.4风能资源参数

统计十七涌风塔2008年各高度小时平均风速介于3.5～20.5 m/s之间的数据，经计算得到风塔各高度2008年逐月有效风速时数（表1）。

表1　南沙区十七涌风塔各高度2008年逐月有效风速时数h

表1显示各高度有效风速时数均存在3个峰值区，即1—2、6—8、11月，最大值均出现在1月。而图4显示各高度逐月有效风功率密度变化曲线存在1、4、6、8、11月5个峰值区，与逐月有效风速时数变化趋势总体上不完全一致。其中春秋季节的1、11月出现的峰值与逐月有效风速时数变化曲线一致，表明受冷空气影响情况下，有效风功率密度大小与有效风速时数存在正相关关系；夏季4、6、8月各高度有效风功率密度均明显大于相邻月份，而有效风速时数分布并无此特征。

图4　南沙区十七涌风塔各高度2008年逐月有效风功率密度变化曲线

2008年共有6个热带气旋登陆或影响南沙区，分别出现在4（1个）、6（1个）、8（2个）、9（1个）和10月（1个）。取风塔20 m高度的数据进一步分析，分别统计计入和不计入热带气旋影响时段情况下各月及全年的有效风功率密度（表2），得出2008年全年20 m高度上热带气旋对有效风功率密度的贡献率为17.8%，有热带气旋影响月份热带气旋对风功率密度平均贡献率达到34.7%，其中9月份贡献率最大，达到58.4%。