風(fēng)能資源評估統(tǒng)計方法實例研究

王起峰

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

受化石能源資源日趨枯竭、環(huán)境保護等的驅(qū)動，自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都開始重視風(fēng)能的開發(fā)利用。國際上風(fēng)能開發(fā)利用的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。我國風(fēng)能資源十分豐富，開發(fā)前景廣闊，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在蓬勃發(fā)展。

山東半島地處渤海灣與黃海包圍之中，地形以低山丘陵為主，風(fēng)能資源豐富。在風(fēng)電場設(shè)計的可行性研究階段，風(fēng)資源評估是一項十分重要的工作，其成果直接決定該工程能否盈利，風(fēng)資源評估內(nèi)容豐富：測風(fēng)數(shù)據(jù)整理、檢驗與處理；實測年風(fēng)能要素計算；代表年風(fēng)能要素計算；風(fēng)切變指數(shù)；50年一遇最大風(fēng)速；湍流強度；威布爾分布；IEC等級等等統(tǒng)計內(nèi)容。本文主要介紹風(fēng)功率密度及IEC等級。

1 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中所具有的功率。設(shè)定時段的平均風(fēng)功率密度表達式為：

式中：Dwp為平均風(fēng)功率密度，W/m2；n為在設(shè)定時段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；

vi3為第i個記錄的風(fēng)速值的立方。

平均風(fēng)功率密度的計算應(yīng)是設(shè)定時段內(nèi)逐小時風(fēng)功率密度的平均值。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》，風(fēng)功率密度蘊含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響，是風(fēng)場風(fēng)能資源的綜合指標(biāo)，風(fēng)功率密度等級見表1。

表1 風(fēng)功率密度等級

2 IEC等級

根據(jù)IEC61400-1：2005-8關(guān)于安全等級的規(guī)定，IECI～III的風(fēng)機，抗50年一遇十分鐘最大風(fēng)速分別為50m/s、42.5m/s、37.5m/s。湍流強度特性級A、B、C對應(yīng)的湍流強度值為0.16、0.14、0.12。

IEC等級對于風(fēng)機選型具有特殊的要求，根據(jù)其要求，主要考慮兩個方面的數(shù)值：50年一遇10min最大風(fēng)速和湍流強度。

2.1 50年一遇10min最大風(fēng)速

根據(jù)全國風(fēng)能資源評價技術(shù)規(guī)定，測站50年一遇極端風(fēng)速值x采用極值型的概率分布，其分布函數(shù)為：

式中：u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾值；a為分布的尺度參數(shù)。

2.2 湍流強度

大氣湍流強度表示瞬時風(fēng)速偏離均值的程度，是評價氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)，其大小關(guān)系到風(fēng)電場資源質(zhì)量的優(yōu)劣。大氣湍流度與地理位置、地形、地表粗糙度和影響天氣系統(tǒng)的類型等因素有關(guān)。風(fēng)能資源評估中湍流指標(biāo)采用相同時段的平均風(fēng)速和標(biāo)準偏差計算湍流強度。本次數(shù)據(jù)記錄時段采用10min平均值進行湍流強度的計算，公式為：

3 應(yīng)用研究

本研究以山東某縣風(fēng)電場工程為實例，介紹風(fēng)資源評估步驟。

為了合理有效的開發(fā)風(fēng)電場，在風(fēng)電場安裝了一臺70m高的測風(fēng)塔進行測風(fēng)工作，分別在70m、60m、50m、30m、10m高度各安裝了一個風(fēng)速儀，并在70m、10m高度各安裝了一個風(fēng)向儀，測風(fēng)儀器采用美國NRG公司制造的Symphonies測風(fēng)設(shè)備。距離風(fēng)電場最近的氣象站位于風(fēng)電場東北約13km處，在收集了一整年測風(fēng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過檢驗、處理后得到一套完整年的測風(fēng)數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)場附近長期測站的觀測數(shù)據(jù)，將驗證后的風(fēng)場測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場長期平均水平的代表性數(shù)據(jù)，然后采用公式(1)計算輪轂高度處的風(fēng)功率密度和平均風(fēng)速，見圖1。

圖1 風(fēng)電場代表年風(fēng)逐月風(fēng)功率密度

由圖1可知，本風(fēng)電場年平均風(fēng)速約為6.2m/s，年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2。本風(fēng)電場3月～5月及11月～12月為大風(fēng)月，風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較大，而7月～9月為小風(fēng)月，風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較小。

該地區(qū)的相關(guān)歷史氣象資料進行具體分析，計算得出氣象站50年一遇最大風(fēng)速為19.21m/s。用氣象站與測風(fēng)塔70m日最大風(fēng)速相關(guān)分析，采用風(fēng)切變指數(shù)推導(dǎo)到輪轂高度處，其50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s。

計算輪轂高度處實測年15m/s風(fēng)速下的湍流強度為0.1087。

4 結(jié)論

(1)本風(fēng)電場年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2，平均風(fēng)速約為6.2m/s，根據(jù)風(fēng)功率密度等級表，本風(fēng)電場為2級風(fēng)場，具有一定的開發(fā)價值。

(2)本風(fēng)電場50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s，輪轂高度處湍流強度為0.1087，根據(jù)IEC等級標(biāo)準，本風(fēng)電場風(fēng)機選型時應(yīng)選擇IEC IIIC以上的風(fēng)機。

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