胡炯炯，陈旻豪，孔 莉，仇中柱

(1.上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200120；2.上海海洋中心气象台，上海 201306；3.上海市嘉定区气象局，上海 201800)

近年来，随着经济的发展，能源的消耗、需求急剧增加。传统能源煤炭不仅储量有限，而且会污染环境。根据《“十三五”能源规划》，我国在“十三五”期间煤炭消费比重降低到58%以下[1-2]，海上风能的开发利用是完成这一任务的重要途径之一，因此海上风电项目的进行势在必行[3]。国电舟山普陀6号海上风电场2区工程总装机规模为252 MW；三峡新能源盐城有限公司江苏大丰海上风电项目风电场规划装机总量为300 MW，预计实现年上网电量约7.97×108kW·h，可满足50万户家庭1年的用电需求[4]。据中国农业机械工业协会风力机械分会统计，截止2019年3月底，我国已建成投运海上风电36项，累计投运容量3.695×106kW，投运机组1 007台[5]。据报道，国内首个水深超过40 m的海上风电项目已开工建设，风机布置离海岸线31～50 km处，平均水深为36～45 m[6-7]。根据国际主流技术来看，深远海风电通常是水深超过50 m，深远海与近海相比风速更大，风力更稳定，海上风电向深远海发展是未来趋势[8-9]。Zheng等(2012)利用1988—2009年东海和南海海域高精度、长时间序列的多平台交叉校正(Cross-Calibrated Multi-Platform, CCMP)风场资料计算风能密度，发现东海、南海大部分海域风能密度年平均值大于100 W/m2，进而对东海和南海的风能进行了分区，同时发现东海、南海7月风能密度稳定性为全年最差，研究结果可为风力发电厂选址提供参考[10]。肖晶晶等(2017)基于1988—2011年CCMP风场资料对中国海域的风能资源进行分析评估，研究了中国海域风能资源的空间格局及气候变化特征，并进行风能资源划分[11]，Nie等(2018)利用28 a的CCMP风场资料，研究了中国沿海水深低于250 m的海域海上风能的技术潜力，为了避免风电密度的错误估计，提出了一种考虑海况影响的统计模型，利用该模型对CCMP长期风场数据进行了检验，在GIS平台上分析了风电密度、水深、风机规模、风电场布局和各种空间约束等因素的影响规律[12]。关于近、远海的风能资源对比分析目前主要基于卫星遥感、CCMP风场资料来开展，而通过海上实测气象资料对比分析近、远海风能资源的报道较少。本研究通过对距上海市海岸较远的浮标和距海岸较近的灯船实测气象资料进行分析、对比和评价，旨在为深远海风能资源的开发提供参考。

1 气象站点及方法

1.1 气象站点

东海浮标和南槽灯船是上海海洋中心气象台用于测试海洋气象的两个海上站点(图1)，其空间位置分布示意如图2所示。

图1 海上气象站

图2 海上气象站点空间位置分布

东海浮标距海岸约200 n mile，代表深远海，南槽灯船距海岸约50 n mile，代表近海，两个站点的风速传感器都采用的是美国R.M.YOUNG公司生产的05106螺旋桨式风速风向仪。两个海上气象站的具体信息如表1所示。

表1 海上气象站信息

1.2 评估方法

本研究采用2013—2018年期间两个站点的10 min平均风速、风向资料对风能资源进行评估。首先，读取10 min平均风速，进行数据完整性检验和处理，然后转换成小时平均数据进行合理性检验，东海浮标和南槽灯船2013—2018年中每年的测风数据缺测率分别为 19.4%和11.3%，合理性检验表明，所测风速大小的范围合理；根据《风电场气象观测资料审核、插补与订正技术规范》[13]的要求，当主测试点数据出现缺测时，利用辅观测点的数据进行插补订正，但是两个站点并没有设置辅观测点，对于发现的缺测数据，本研究根据文献[13]的相关要求进行处理，即“将备用的或可供参考的传感器同期记录数据，经过分析处理，替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据”。本研究风能资源的分析与评估按照《风电场风能资源评估方法》[14]和《全国风能资源评价技术规定》[15]中的相关方法进行。其中，风能资源主要评估参数包括风速，风功率密度，风速、风能频率，风向、风能方向分布，湍流强度等。

2 结果与讨论

2.1 风速

2013—2018年东海浮标和南槽灯船处的年平均风速变化如图3所示。从图3可以看出，东海浮标的年平均风速均高于南槽灯船。2018年东海浮标处的年平均风速达到最大值(6.90 m/s)，比南槽灯船年平均风速大18.5%。东海浮标处的累年平均风速达到6.30 m/s，而南槽灯船处的累年平均风速为5.80 m/s，东海浮标处的累年平均风速比南槽灯船高了8.6%。

图3 2013—2018年平均风速值

累年的时平均风速变化如图4所示。从图4可以看出，累年平均风速逐时变化不大，东海浮标处的时平均风速均大于南槽灯船处的风速，且变化趋势大致相同。东海浮标和南槽灯船处8—20时的平均风速大于20时至次日8时的平均风速，白天的风速大于夜间的风速。对于东海浮标处，5—10时和17—22时风速较大，大于平均风速(6.33 m/s)。而对于南槽灯船处，16—23时风速大于平均风速(5.81 m/s)。一天当中东海浮标处风速较大的持续时间长于南槽灯船处。

图4 2013—2018年风速逐时值

2.2 风功率密度

2013—2018年东海浮标和南槽灯船处年平均风功率密度变化如图5所示。从图5可以看出，东海浮标处历年的风功率密度大部分大于300.0 W/m2，南槽灯船处历年的风功率密度分布于200.0～300.0 W/m2之间，东海浮标处的年平均风功率密度均大于南槽灯船处。东海浮标处累年的平均风功率密度为345.1 W/m2，南槽灯船处为239.5 W/m2，相差100.0 W/m2以上，东海浮标处累年的平均风功率密度比南槽灯船处高44.1%。这是因为风功率密度主要与大气压、气温和风速有关，深远海处的大气压、气温与近海处的大气压、气温相差不大，但是深远海处的风速比近海处的风速高，因此，深远海处的风功率密度比近海处的风功率密度大。

图5 2013—2018年年平均风功率密度

东海浮标处和南槽灯船处累年平均风功率密度的逐时变化如图6所示。东海浮标处的风功率密度均大于南槽灯船处，且变化趋势基本一致。东海浮标处的风功率密主要分布在293.5～319.8 W/m2之间，而南槽灯船处的风功率密度主要分布在225.5～252.6 W/m2之间。东海浮标处风功率密度比南槽灯船处大26.6%～30.2%。

图6 2013—2018年风功率密度逐时变化

2.3 风速、风能频率分布

以1.00 m/s为一个风速区间，对数据进行统计分析，得到2013—2018年风速频率与风能频率分布，如图7、8所示。

图7 风速分布直方图

取3.00～25.00 m/s为有效风速[15]。东海浮标处有效风速的频率为77.2%，有效风速的风能频率为99.8%，都较高。南槽灯船处有效风速的频率为77.0%，有效风速的风能频率为99.8%，都比较高。

图8 风能分布直方图

2.4 风向、风能方向分布

通过对气象资料进行分析处理，东海浮标处和南槽灯船处的累年风向玫瑰图和风能玫瑰图如图9、10所示。

图9 风向玫瑰图

从图9可以看出，东海浮标处的主风向为NNE向和NE向；南槽灯船处的主风向为E向和ENE向。从图10可以看出，东海浮标处的风能主要集中在NNE向和NE向；南槽灯船处的风能主要集中在NE向和ENE向。表2给出东海浮标处和南槽灯船处各风向上风能的占比，东海浮标处风能与风向的规律相似，均集中在NNE向和NE向，这两个风向的风能占全方位风能的33.57%；南槽灯船处的风能与风向的规律不一致，两个主风向E向、ENE向的风能仅占全方位风能的26.52%，而NE向和ENE向的风能占全方位风能的30.60%。

表2 不同站点不同风向的风能占比

图10 风能玫瑰图

2.5 湍流强度

为了进行风能资源的开发利用，弄清风场的湍流特征十分重要，因为它对风力发电机组有不利影响，主要表现为减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风力发电机组，表3给出了湍流强度(It)的划分标准[14]。

表3 湍流强度程度表

通过2013—2018年气象站点的风速资料分析计算得到东海浮标处和南槽灯船处历年的湍流强度，结果如表4所示。计算结果表明，东海浮标处和南槽灯船处历年的湍流强度不大，东海浮标处历年的湍流强度值分布在0.065～0.179之间，南槽灯船处历年的湍流强度值分布在0.109～0.155之间。根据表3的划分标准，东海浮标处湍流强度的累年平均值为0.114，比南槽灯船处(0.125)低8.8%，均属于中等湍流程度，其中仅在2013年和2017年的湍流强度比南槽灯船处高，2016年和2018年的湍流强度值小于0.100，湍流程度相对较小。

表4 不同站点的逐年湍流强度表

3 结论

本研究依据东海浮标和南槽灯船2个气象站点2013—2018年实测气象资料，对东海近海和深远海的风能资源进行评估，得到如下结论：

(1)东海浮标处累年的平均风功率密度为345.1 W/m2比南槽灯船处高44.1%，二者风功率密度相差100.0 W/m2以上，东海浮标处历年的风功率密度大部分大于300.0 W/m2，达到6级，对实施并网风力发电项目很有利，而南槽灯船处历年的风功率密度分布于200.0～300.0 W/m2区间，达到3级或以上，可以较好地实施并网风力发电；

(2)东海浮标处的有效风速的风能占比高达99.8%，南槽灯船处的有效风速的风能占比达到99.8%，二者均比较高，对实施风力发电项目十分有利；

(3)东海浮标处的湍流强度累年平均值为0.114比南槽灯船处(0.125)低8.8%，对风力机组输出功率的影响比南槽灯船处小，极端载荷出现的几率也比南槽灯船处低。