浙江省沿海海洋風(fēng)能資源評(píng)估

姜 波，劉富鈾，徐輝奮，馬治忠，張 松

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

浙江省沿海海洋風(fēng)能資源評(píng)估

姜 波，劉富鈾，徐輝奮，馬治忠，張 松

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

全球性的能源危機(jī)和氣候變化，驅(qū)動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電在世界范圍的迅速發(fā)展，科學(xué)、準(zhǔn)確地估算風(fēng)能資源及其空間分布是國(guó)家對(duì)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)中一項(xiàng)極其重要的基礎(chǔ)工作，是大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電的關(guān)鍵步驟。利用1997—2007年浙江省9個(gè)海洋站和2007—2008年4個(gè)臨時(shí)觀測(cè)站的氣象要素，分別利用代表年和多年平均計(jì)算浙江省沿海風(fēng)能資源狀況，發(fā)現(xiàn)浙江省沿海和海島風(fēng)能資源豐富，可成為未來(lái)風(fēng)能開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。研究初步掌握浙江沿海的風(fēng)能資源的分布規(guī)律，為合理開(kāi)發(fā)利用浙江省的海洋風(fēng)能資源和海洋功能區(qū)劃修編提供一定理論依據(jù)和實(shí)用參考。

海洋風(fēng)能資源；有效風(fēng)時(shí)；風(fēng)功率密度；GIS

隨著全球能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，對(duì)可再生能源進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)愈加凸顯出重要性。其中，風(fēng)能資源相對(duì)于不可再生的常規(guī)能源而言是清潔的可再生能源，由于其在減輕環(huán)境污染、減少溫室氣體排放、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的突出作用，越來(lái)越受到國(guó)家的高度重視。

浙江省在風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用方面具有得天獨(dú)厚的地理區(qū)位和自然條件。浙江位于中國(guó)東南沿海，介于27°12′N(xiāo)～31°31′N(xiāo)，118°E～123°E，海岸線長(zhǎng)達(dá) 6 486 km，居全國(guó)首位，并且是中國(guó)海島最多的省份，其中面積超過(guò)500 m2的有3 061個(gè)。浙江省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均風(fēng)速高，風(fēng)功率密度大，是我國(guó)風(fēng)能資源相對(duì)豐富區(qū)之一。

本文利用1997—2007年浙江省9個(gè)海洋站的歷史氣象觀測(cè)資料和2007—2008年4個(gè)臨時(shí)站的逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)資料以及氣溫、氣壓等輔助要素資料，對(duì)浙江沿海和島嶼的風(fēng)能資源的蘊(yùn)藏量和分布規(guī)律狀況進(jìn)行了計(jì)算分析與研究評(píng)估。掌握風(fēng)能資源，既具有很強(qiáng)的實(shí)用性，又可作為研究制定浙江海岸帶風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃的重要理論依據(jù)。

1 風(fēng)能資源評(píng)估指標(biāo)

風(fēng)能資源評(píng)估主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)[1-2]。

1.1 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速為給定時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的平均值，給定時(shí)間從幾秒到數(shù)年不等。平均風(fēng)速（VE）按下式計(jì)算：

式中：Vi為風(fēng)速（m/s）觀測(cè)序列；n為平均風(fēng)速計(jì)算時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速序列個(gè)數(shù)。

1.2 有效風(fēng)時(shí)

有效風(fēng)時(shí)即統(tǒng)計(jì)出代表年測(cè)風(fēng)序列中風(fēng)速在3～25 m/s之間的累計(jì)小時(shí)數(shù)。

1.3 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風(fēng)所具有的功率，是衡量一個(gè)地區(qū)風(fēng)能大小，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力的重要參數(shù)。設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度表達(dá)式如下：

式中：DWP為平均風(fēng)功率密度（W/m2）；n為設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ為空氣密度（kg/m3）；vi為第 i記錄的風(fēng)速（m/s）。

平均風(fēng)功率密度DWP的計(jì)算應(yīng)是設(shè)定時(shí)段內(nèi)逐小時(shí)風(fēng)功率的平均值，不可用年（或月）平均風(fēng)速計(jì)算年（或月）平均風(fēng)功率密度?？諝饷芏圈寻词剑?）計(jì)算：

式中：P為年平均大氣壓力（Pa）；R為氣體常數(shù)（287 J·kg-1·K-1）；T 為年平均空氣開(kāi)氏溫標(biāo)絕對(duì)溫度。

1.4 有效風(fēng)功率密度

有效風(fēng)速3～25 m/s間的風(fēng)功率密度，為可利用的風(fēng)功率密度。

1.5 風(fēng)能資源總儲(chǔ)量

風(fēng)能資源總儲(chǔ)量可按式（4）計(jì)算：

式中：n為風(fēng)功率等級(jí)數(shù)；Si為年平均風(fēng)功率密度分布圖中各風(fēng)功率密度等值線間面積；Pi為各風(fēng)功率密度等值線間區(qū)域的風(fēng)功率代表值。

1.6 風(fēng)能資源區(qū)劃

根據(jù)朱瑞兆等研究結(jié)果[3]，將風(fēng)能分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 10 m高度風(fēng)能區(qū)劃指標(biāo)

2 資料來(lái)源及計(jì)算方法

2.1 資料來(lái)源

一般認(rèn)為5～10 a或10 a以上的觀測(cè)資料就能比較客觀的反映該地區(qū)的真實(shí)狀況[4]。本次風(fēng)能資源評(píng)估中，引用了浙江省9個(gè)海洋站1997—2007年和4個(gè)臨時(shí)站2007—2008年觀測(cè)資料，這些資料包括：

（1）各站點(diǎn)基本信息，包括站名、站號(hào)、經(jīng)度、緯度、海拔高度等。

（2）各站點(diǎn)歷年日最大風(fēng)速、日極大風(fēng)速、日最高氣壓、日最低氣壓、日最高氣溫、日最低氣溫等。

（3）各站點(diǎn)歷年逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向；逐日氣溫、氣壓（氣溫、氣壓資料每天4次，分別為2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)）。

2.2 計(jì)算方法

按照海濱觀測(cè)規(guī)范的規(guī)定[6]，我國(guó)風(fēng)站的風(fēng)傳感器離地面高度10～12m處；如安裝在平臺(tái)上，應(yīng)距上層平臺(tái)面6～8m，且距地面高度不得低于10 m。在計(jì)算各個(gè)地區(qū)的風(fēng)能資源時(shí)，應(yīng)把各海洋站風(fēng)速統(tǒng)一換算到離地面10 m處的風(fēng)速[7]?？砂词剑?）計(jì)算：

式中：V10為10 m高度處的風(fēng)速；Vi為i高度（m）處的已知風(fēng)速；kh為風(fēng)傳感器高度換算系數(shù)，列于表2。

在多年的長(zhǎng)時(shí)間序列中，選取一個(gè)年平均風(fēng)速等于或接近多年平均風(fēng)速的年份，定義為平均風(fēng)速年；選取年平均風(fēng)速最小的年份，定義為最小值年；選取年平均風(fēng)速最大的年份，定義為最大值年[1-2]。上述3個(gè)年份統(tǒng)稱為“代表年”。本研究分別根據(jù)“代表年”和多年平均值來(lái)對(duì)風(fēng)能要素進(jìn)行計(jì)算，從9個(gè)海洋站1997—2007年觀測(cè)資料分別選取了3個(gè)代表年份（不同的海洋站的代表年不盡相同），然后相加平均進(jìn)行該海洋站的風(fēng)能資源估算。結(jié)果表明：根據(jù)“代表年”和多年平均值來(lái)計(jì)算風(fēng)能要素是十分接近的，其中年平均風(fēng)速差異0～4%，年平均有效風(fēng)功率密度差異0～7%，年有效風(fēng)時(shí)差異0～1%。下面的研究結(jié)果都是根據(jù)多年平均值做出的。

表2 風(fēng)傳感器高度換算系數(shù)

對(duì)于4個(gè)臨時(shí)站的觀測(cè)資料，由于觀測(cè)資料時(shí)長(zhǎng)較短，不能很好地客觀反映當(dāng)?shù)貙?shí)際氣候狀況，因此，分別利用毗鄰的海洋站資料與臨時(shí)站的建立線形回歸模型[8]，將4個(gè)臨時(shí)站資料遞推延長(zhǎng)至1997—2007年資料。

3 浙江沿海風(fēng)能分布特點(diǎn)

浙江沿海風(fēng)能資源具有明顯的日、季和年際變化。

3.1 風(fēng)速的日變化

從浙江鎮(zhèn)海和南麂島代表月風(fēng)速日變化曲線圖（圖1～圖2）可以看出，鎮(zhèn)海具有明顯晝夜變化，日較差在2.5～3 m/s，風(fēng)速在日間9～18時(shí)較大，13～16時(shí)達(dá)到最大值，夜間風(fēng)速較小，除11月在22時(shí)風(fēng)速最小外，其他各月凌晨4時(shí)風(fēng)速最??；南麂島則風(fēng)速晝夜變化較小，日較差在0.5～1.5 m/s。

3.2 風(fēng)能的季節(jié)變化

從圖3～圖4有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時(shí)年變化曲線可以看出，浙江沿海地區(qū)風(fēng)能季節(jié)變化明顯，按四季來(lái)比較，冬季風(fēng)能最大，秋季與春季次之，夏季最少。

3.3 風(fēng)能的年際變化

從圖5～圖6可以看出，各地有效功率和有效風(fēng)時(shí)年際變化顯著，2000年風(fēng)功率密度最大，2007年最小，其中逐年有效風(fēng)功率密度相對(duì)于平均值有1%～27%的差異，逐年有效風(fēng)時(shí)相對(duì)于平均值有0～11%的差異。

圖1 鎮(zhèn)海代表月風(fēng)速日變化曲線圖

圖2 南麂島代表月風(fēng)速日變化曲線圖

圖3 浙江沿海代表站有效風(fēng)功率密度年變化曲線圖

圖4 浙江沿海代表站有效風(fēng)時(shí)年變化曲線圖

4 基于GIS的浙江沿海風(fēng)能資源空間分布

計(jì)算得到各海洋站和臨時(shí)站的常年風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時(shí)，代表了各觀測(cè)站所在地區(qū)風(fēng)能資源狀況(圖7)，但它們不能直觀地反映浙江沿海風(fēng)能資源的空間分布態(tài)勢(shì)。為了評(píng)估無(wú)觀測(cè)站地區(qū)的風(fēng)能資源，需通過(guò)空間插值，如反距離權(quán)重插值（IDW）、Kriging插值、通過(guò)回歸方程插值等。本文根據(jù)觀測(cè)站的站位數(shù)據(jù)，利用IDW，在ArcGIS中對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間內(nèi)插，得到浙江沿海風(fēng)能資源分布數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖5 浙江沿海代表站有效功率年際變化曲線圖

圖6 浙江沿海代表站有效風(fēng)時(shí)曲線圖

浙江省沿海地區(qū)有效風(fēng)功率密度最高值在臺(tái)州市大陳，為427 W/m2，最低值為寧波市獅子口，為66 W/m2；有效風(fēng)時(shí)最高的是溫州市南麂，達(dá)到7 250 h，最低為獅子口，只有2 369 h。

從圖8浙江沿海平均風(fēng)功率密度可以看出：浙江省海洋風(fēng)能主要分布在舟山群島附近海域、嘉興東部錢(qián)塘江口、寧波市北部海域、寧波市東部海域、臺(tái)州市東部海域和溫州市東南部海域。按照公式（4）可以估算浙江省50 m等深線以淺海域海洋風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約為1.03億kW。

5 結(jié)論與建議

本次浙江沿海地區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估采用了浙江省9個(gè)海洋站1997—2007年和4個(gè)臨時(shí)站2007—2008年的氣象觀測(cè)資料，其結(jié)果可宏觀地反映浙江沿海地區(qū)的風(fēng)能資源分布狀況。從評(píng)估結(jié)果可以看出：浙江省海洋風(fēng)能主要分布在舟山群島附件海域、嘉興東部錢(qián)塘江口、寧波市北部海域、寧波市東部海域、臺(tái)州市東部海域和溫州市東南部海域。

浙江省海岸線長(zhǎng)，島嶼眾多，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能的季節(jié)變化又很符合浙江用電要求，冬、秋季是沿海地區(qū)風(fēng)能旺季，恰好彌補(bǔ)了這時(shí)期由于干旱而致的水電不足，春、夏季是風(fēng)能的淡季，而此時(shí)卻是浙江的汛期，水電豐富；浙江省作為中國(guó)島嶼最多的省份，特別是溫州、臺(tái)州的島嶼大部分屬于風(fēng)能豐富區(qū)，舟山群島也屬于風(fēng)能可利用區(qū)，因此，浙江沿海地區(qū)和海島可以作為未來(lái)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)地區(qū)。

圖7 浙江各站年平均風(fēng)功率分布圖

現(xiàn)有風(fēng)站的風(fēng)測(cè)量?jī)x離地面為10 m左右，如果要計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)能，只能按國(guó)家有關(guān)規(guī)范和技術(shù)規(guī)定[1-2]進(jìn)行估算，其準(zhǔn)確性受到一定制約。

[1]中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢公司.GB/T 18710～2002.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[2]氣科院生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象研究所.發(fā)改能源[2004]865號(hào).全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程[S].北京：氣象出版社，2003.

[3] 朱瑞兆,薛桁.風(fēng)能的計(jì)算和我國(guó)風(fēng)能的分布[J].氣象學(xué)報(bào),1981,7（8）∶26-28.

[4]張一民,沈才元,等.江蘇省風(fēng)能簡(jiǎn)便計(jì)算方法的研究[J].氣象科學(xué),1997,17(3)∶268-273.

[5]薛桁,朱瑞兆,等.中國(guó)風(fēng)能資源貯量估算[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001,22(2)∶167-170.

[6]國(guó)家海洋局北海分局.GB/T 14914～2006.海濱觀測(cè)規(guī)范[S]，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[7]陳上及,馬繼瑞.海洋數(shù)據(jù)處理分析方法及其應(yīng)用[M].北京∶海洋出版社,1991：393.

[8] 李澤椿，朱蓉，何曉鳳，等.風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)方法研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2007，65（5）：708-717.

[9]錢(qián)光明,羅金鈴,等.廣東省沿海風(fēng)能儲(chǔ)量及開(kāi)發(fā)前景分析[J].廣東氣象,1998,4∶2-4.

Evaluation of the Wind Energy Resources in Zhejiang Coastal Area

JIANG Bo,LIU Fu-you,XU Hui-fen,MA Zhi-zhong,ZHANG Song
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112）

The global energy crisis and climate changing drive the quick development of the wind power in the world.It is the key of the large scale development wind electricity that making clear the wind energy resource.In terms of the 11a observation data from 1997 to 2007 of nine ocean stations and 2 a from 2007 to 2008 of four temporary stations in Zhejiang province,the annual mean wind power density were explored with the representative years and average for several years.The results show that the coastland and island in Zhejiang have abundant wind power resources and can become wind energy development of point district in the future.This research have certain of theories basis and practical value for reasonable development of the wind energy resources along Zhejiang coastal area and the fix plait of ocean function area row.

ocean wind energy resource;valid hours of wind;wind power density;GIS

P962

A

1003-2029（2012）04-0091-04

2012-04-16

我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（908-01-NY，908-02-05-01，908-01-BC21，908-ZC-Ⅰ-21，908-ZC-II-05，ZJ908-04-04，GD908-02-11）；海洋能專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（GHME2011ZC01）；國(guó)家軟科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007GXS3B054)；質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（10-210，200810807）。

姜波（1978－），男，碩士，助研，主要從事海洋可再生能源方向研究。