武漢云霧山風(fēng)能資源定量評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)建議

文 | 方怡 陳正洪 孫朋杰 陳城

武漢云霧山風(fēng)能資源定量評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)建議

文 | 方怡 陳正洪 孫朋杰 陳城

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，對(duì)于能源缺乏而又面臨重大環(huán)保壓力的中國(guó)經(jīng)濟(jì)，意義重大。根據(jù)“十二五”風(fēng)電規(guī)劃，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量到2015年將達(dá)到1億kW以上，發(fā)電量達(dá)到1900億kW·h。通常風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)主要考慮三方面因素：風(fēng)能資源、交通運(yùn)輸、并網(wǎng)條件，而風(fēng)能資源評(píng)價(jià)是風(fēng)電場(chǎng)是否具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的重要依據(jù)，并且風(fēng)能資源評(píng)價(jià)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的驗(yàn)收、運(yùn)行管理及后評(píng)估都有著重要意義。

湖北省的地形結(jié)構(gòu)大體是“七山一水兩分田”，其風(fēng)能資源主要分布在北部及漢江中游的主要風(fēng)口、山體相對(duì)孤立的中高山區(qū)以及大型湖泊的周邊等具有特殊地形地貌的區(qū)域。武漢市地勢(shì)低平，過(guò)去一直被認(rèn)為風(fēng)能資源貧乏，至今未有風(fēng)電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。武漢市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛、光照充足，熱量豐富，四季分明，云霧山位于武漢市黃陂區(qū)西北部，是大別山脈與江漢平原的過(guò)渡地帶，一般海拔高度在400m－600m，主峰海拔709m，現(xiàn)為國(guó)家AAAA級(jí)景區(qū)。山上植被茂密，該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向（東北－西南向）比較空曠，風(fēng)速較大。利用黃陂云霧山上設(shè)立的一座80m測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)資料，對(duì)其輪轂高度上的平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度等風(fēng)能資源參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為武漢市首座風(fēng)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)與合理建議。

資料與方法

本文主要依據(jù)《GB/T 18710－2002風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（以下簡(jiǎn)稱《評(píng)估方法》）等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行資料完整性、合理性檢驗(yàn)、風(fēng)能資源參數(shù)計(jì)算，結(jié)合Weibull風(fēng)頻曲線擬合、區(qū)域風(fēng)能資源數(shù)值模擬、長(zhǎng)年代風(fēng)能資源評(píng)估及單機(jī)理論發(fā)電量估算等方法，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

一、資料

取得了云霧山一個(gè)80m高測(cè)風(fēng)塔（2882#）2012年12月17日－2013年12月25日的氣象觀測(cè)資料，該塔位置為31°10'57"N，114°14'32"E，海拔537m，風(fēng)速觀測(cè)位于10m、30m、60m、80m層，風(fēng)向觀測(cè)位于10m、80m層，溫度、氣壓觀測(cè)位于8m高度。由于植被茂密，對(duì)10m高度測(cè)風(fēng)資料有一定影響。

選取黃陂氣象站作為參政站，選取其1959年－2012年間的風(fēng)速、氣溫、雷暴等氣象要素進(jìn)行氣候特征分析，并利用其2012年12月24日－2013年12月23日一個(gè)完整年的測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行參政站風(fēng)況分析。采用武漢氣象站近二十年500m高度探空風(fēng)速以及黃陂氣象站近二十年平均風(fēng)速歷史資料，以進(jìn)行長(zhǎng)年代風(fēng)能資源評(píng)估。

二、風(fēng)能參數(shù)計(jì)算方法

利用測(cè)風(fēng)塔2012年12月24日－2013年12月23日一個(gè)完整年的逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向資料對(duì)其進(jìn)行完整性、合理性檢驗(yàn)，測(cè)風(fēng)塔10m－80m高度風(fēng)速、風(fēng)向有效數(shù)據(jù)完整率在97.5%－98.5%，符合《評(píng)估方法》提出的完整率達(dá)到90%以上的要求。相關(guān)風(fēng)能資源參數(shù)計(jì)算公式如下：

式（1）中，DWP為設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度（W/ m2）；" n" 為設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；vi為第i記錄風(fēng)速（m/ s）值，ρ為空氣密度（kg/m3）。

湍流強(qiáng)度表示瞬時(shí)風(fēng)速偏離平均風(fēng)速的程度，是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)。大氣湍流強(qiáng)度與地形、地表粗糙度和影響的天氣系統(tǒng)類(lèi)型等因素有關(guān)。式（2）中，I為湍流強(qiáng)度；σv為10min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差（m/s）；為10min平均風(fēng)速（m/s）。I在0.1或以下時(shí)表示湍流相對(duì)較小，在0.25以上表明湍流過(guò)大。

式（3）中，V2為高度Z2處的風(fēng)速（m/s）；V1為高度Z1處的風(fēng)速（m/s），Z1一般取10m高度；α為風(fēng)切變指數(shù)，其值的大小表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

三、Weibull分布參數(shù)

風(fēng)頻曲線擬合采用Weibull分布，其概率密度函數(shù)用下式表示：

式(4)中：V為風(fēng)速，A為尺度參數(shù)，K為形狀參數(shù)。

四、風(fēng)能資源數(shù)值模擬方法

根據(jù)大氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)基本原理建立基于氣象模式的高分辨率風(fēng)能資源數(shù)值模型是較為詳細(xì)摸清風(fēng)能資源分布的重要手段，模擬結(jié)果可以填補(bǔ)無(wú)測(cè)風(fēng)地區(qū)風(fēng)能資源狀況的空白，并且對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址有重要的價(jià)值。

五、長(zhǎng)年代風(fēng)能資源評(píng)估

采用武漢氣象站500m高度探空風(fēng)速以及黃陂氣象站平均風(fēng)速歷史資料進(jìn)行長(zhǎng)年代風(fēng)能資源評(píng)估，從而對(duì)觀測(cè)年的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速進(jìn)行訂正。采用探空資料可以較好撇除地面觀測(cè)站受周邊環(huán)境等變化而造成的風(fēng)速減少。

六、單機(jī)發(fā)電量及等效滿額發(fā)電小時(shí)數(shù)

分別以WTG 87/1500kW、H111/2000kW、UP105/2000kW、EN121/2300kW四種風(fēng) 電機(jī)組為參考機(jī)型估算發(fā)電量。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3下，四種機(jī)型切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為3.0m/s、10.0m/ s，22.0m/s；3.0m/s、10.0m/s、25m/s；3.0m/s、9.8m/s、25.0m/s；3.0m/s、13.0m/s、25.0m/s。

式（5）、（6）中，kv為3.0m/s－25.0（22.0）m/ s對(duì)應(yīng)的功率曲線值(kW)；Hv為觀測(cè)年3.0m/s－25.0m/ s各風(fēng)速對(duì)應(yīng)的年小時(shí)數(shù)(h)，a為折減系數(shù)（通常取0.7左右）,K為額定功率(kW)。

結(jié)果分析

一、參證站主要?dú)庀鬄?zāi)害特征分析

黃陂區(qū)影響風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的主要?dú)庀鬄?zāi)害為暴雨、雷電、低溫冰凍及大風(fēng)等（見(jiàn)表1），近年更趨極端，如2008年我國(guó)南方發(fā)生嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，黃陂氣象站結(jié)冰日數(shù)多達(dá)54d，與1984年并列第一；2012年7月12日－13日黃陂區(qū)遭遇2次超百年一遇的強(qiáng)降水，其中13日氣象站日降水量達(dá)到了285.2mm，為有記錄以來(lái)最大值；2013年黃陂區(qū)頻繁遭遇大風(fēng)或龍卷風(fēng)襲擊，8月1日、11日、18日區(qū)域自動(dòng)站瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)到了22.6m/s、23.9m/s和15.5m/s。

二、 測(cè)風(fēng)塔各高度風(fēng)能資源參數(shù)分析

1. 平均風(fēng)速月、日變化

測(cè)風(fēng)塔各高度逐月平均風(fēng)速見(jiàn)圖1。10m、30m、60m、80m高度年平均風(fēng)速分別為3.2m/s、5.3m/s、6.0m/ s、6.3m/s，顯然隨高度上升風(fēng)速逐步增加。各高度逐月平均風(fēng)速最大值均出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在9月。80m高度有4個(gè)月（3月、4月、7月、8月）平均風(fēng)速在7.0m/s以上，其它各月在5.0m/s－6.2m/s之間。10m高度因植被影響風(fēng)速較小。

測(cè)風(fēng)塔各高度平均風(fēng)速日變化曲線見(jiàn)圖2，其日變化特征均為夜間風(fēng)速大，白天風(fēng)速小，中午風(fēng)速最小。測(cè)風(fēng)塔全年逐小時(shí)平均風(fēng)速80m高度均在5.2m/s－7.1m/s之間，其中21時(shí)－次日07時(shí)是全天風(fēng)速相對(duì)比較大的時(shí)段，08時(shí)－20時(shí)是全天風(fēng)速相對(duì)比較小的時(shí)段，最小值出現(xiàn)在11時(shí)－14時(shí)。

表1 黃陂主要不利氣候特征值（1960年-2012年）

圖1 測(cè)風(fēng)塔各高度逐月平均風(fēng)速變化圖（m/s）

圖2 測(cè)風(fēng)塔各高度逐時(shí)平均風(fēng)速變化圖

2. 逐月及年平均風(fēng)功率密度

測(cè)風(fēng)塔各高度逐月平均風(fēng)功率密度與平均風(fēng)速變化趨勢(shì)十分一致。各月平均風(fēng)功率密度80m高度在182.8（6月）W/m2－421.2（7月）W/m2之間，80m高度有5個(gè)月（2月、3月、4月、7月、8月）平均風(fēng)功率密度在300W/m2以上。測(cè)風(fēng)塔10m、30m、60m、80m高度年平均風(fēng)功率密度分別為37.2W/m2、176.4W/m2、253.9W/m2、288.0W/m2。見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)風(fēng)塔各高度逐月平均風(fēng)功率密度（W/m2）

圖4 測(cè)風(fēng)塔各高度風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布直方圖

3. 風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率

測(cè)風(fēng)塔各高度（10m－0m）有效風(fēng)速頻率在60.2%－86.0%。80m高度風(fēng)速頻率主要集中在3m/s－9m/s風(fēng)速段，頻率為69.0%，10m/s風(fēng)速段以上的頻率為17.0%。80m高度風(fēng)能頻率主要集中在6m/s－15m/s風(fēng)速段，頻率為79.9%。見(jiàn)表2和圖4。

4. 風(fēng)向頻率與風(fēng)能方向頻率

測(cè)風(fēng)塔10m全年最多風(fēng)向?yàn)镋NE，頻率為18.8%，次多風(fēng)向?yàn)閃，頻率10.3%，第三多風(fēng)向?yàn)镹E，頻率為9.9%，三者之和為39.0%；80m全年最多風(fēng)向?yàn)镋，頻率為18.2%，次多風(fēng)向?yàn)镋NE、WNW，頻率均為10.1%，三者之和為3.4%。測(cè)風(fēng)塔80m高度風(fēng)向主要集中在ENE-E和W-WNW兩個(gè)基本相反的扇區(qū)。見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 測(cè)風(fēng)塔各高度年風(fēng)向頻率玫瑰圖

圖6 測(cè)風(fēng)塔各高度年風(fēng)能方向頻率玫瑰圖

表2 測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)年度各風(fēng)速段小時(shí)數(shù)（h）

測(cè)風(fēng)塔80m高度E風(fēng)向的風(fēng)能頻率最大，為31.9%，其次為ENE，頻率為17.1%，再次為WNW，頻率為13.6%，三者之和為62.6%。

可見(jiàn)，測(cè)風(fēng)塔風(fēng)能方向分布和風(fēng)向頻率分布一致，即主導(dǎo)風(fēng)向下，其風(fēng)能頻率也大，這種特征有利于風(fēng)電機(jī)組的排列布局及風(fēng)能的利用。

5. 湍流強(qiáng)度

圖7為測(cè)風(fēng)塔不同風(fēng)速段湍流強(qiáng)度變化曲線。各高度湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致，3m/s－6m/s風(fēng)速段湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)速的增加而下降，6m/s以上湍流隨風(fēng)速的增加變化幅度不大。測(cè)風(fēng)塔80m高度3m/s－6m/s風(fēng)速段湍流強(qiáng)度在0.14－0.30之間，7m/s－22m/s風(fēng)速段內(nèi)湍流強(qiáng)度基本在0.09－0.13之間，有效風(fēng)速段年平均湍流強(qiáng)度為中等，15m/s風(fēng)速段80m的湍流強(qiáng)度為0.107。表3為測(cè)風(fēng)塔80m高度主導(dǎo)風(fēng)向下的湍流強(qiáng)度，主導(dǎo)風(fēng)向的湍流強(qiáng)度為中等。

6. 風(fēng)切變指數(shù)

根據(jù)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)年度各高度的平均風(fēng)速實(shí)測(cè)值，采用冪指數(shù)方法，計(jì)算其風(fēng)切變指數(shù)。由于測(cè)風(fēng)塔10m高度風(fēng)速受到植被遮擋偏小，所以計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)時(shí)不計(jì)算10m高度。測(cè)風(fēng)塔30m－80m高度風(fēng)切變指數(shù)為0.176。見(jiàn)圖8

7. 80m高度風(fēng)頻曲線及Weibull分布參數(shù)

采用Weibull分布曲線擬合得到測(cè)風(fēng)塔80m高度的尺度參數(shù)A值為7.08 m/s、形狀參數(shù)K值為1.9。由圖9可見(jiàn)，測(cè)風(fēng)塔80m高度Weibull分布曲線與風(fēng)速頻率基本吻合。

圖7 測(cè)風(fēng)塔不同風(fēng)速段湍流強(qiáng)度變化曲線

表3 測(cè)風(fēng)塔80m高度3m/s-22m/s風(fēng)速段主導(dǎo)風(fēng)向下湍流強(qiáng)度

8. 對(duì)測(cè)風(fēng)塔80m高度風(fēng)能資源的長(zhǎng)年代訂正

綜合歷史探空資料及氣象站資料（表4），武漢探空站、黃陂氣象站在2013年的平均風(fēng)速均大于其在近20年、近10年、近5年的平均風(fēng)速，這說(shuō)明觀測(cè)年的平均風(fēng)速會(huì)比其長(zhǎng)年平均風(fēng)速值要大，因此將測(cè)風(fēng)塔在觀測(cè)年的平均風(fēng)速減去0.3m/s后的結(jié)果，可代表長(zhǎng)年代風(fēng)能資源狀況。因此，推算出測(cè)風(fēng)塔長(zhǎng)年平均狀況下，80m高度平均風(fēng)速分別為6.0m/s，平均風(fēng)功率密度為255.4W/m2。

圖8 測(cè)風(fēng)塔80m高度年平均風(fēng)速垂直廓線

圖9 測(cè)風(fēng)塔80m高度Weibull分布曲線圖注：A為尺度參數(shù)、K為形狀參數(shù)、V為平均風(fēng)速、P為平均風(fēng)功率密度。

表4 武漢、黃陂氣象站觀測(cè)年及歷史平均風(fēng)速對(duì)比

三、區(qū)域風(fēng)能資源數(shù)值模擬

圖10 云霧山地區(qū)80m高度層1km分辨率年平均風(fēng)速(m/s)

考慮到云霧山地理環(huán)境的復(fù)雜，單個(gè)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)并不能代表整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能狀況。因此，采用數(shù)值模擬的方法模擬黃陂云霧山地區(qū)1km水平分辨率下的年平均風(fēng)速。如圖10所示，模擬的風(fēng)速分布形式與山體走向一致，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源狀況明顯較周邊地區(qū)豐富。測(cè)風(fēng)塔處于風(fēng)能資源狀況最好的區(qū)域，80m高度模擬年平均風(fēng)速在5.7m/s以上，較實(shí)測(cè)值偏低，主要是由于這里模式模擬的是2007年風(fēng)速分布情況，并且由上述長(zhǎng)年代風(fēng)能資源評(píng)估可知2013年平均風(fēng)速較長(zhǎng)年代風(fēng)速值偏大。

四、單機(jī)理論發(fā)電量及長(zhǎng)年代等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)估算

根據(jù)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)年度實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，分別以GW 87/1500kW、UP105/2000kW、H111/2000kW、EN121/2300kW為參考機(jī)型，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組機(jī)型、輪轂高度，估算測(cè)風(fēng)塔80m處標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的長(zhǎng)年代單機(jī)理論年發(fā)電量分別為430.5萬(wàn)kW·h、570.0萬(wàn)kW·h、609.2萬(wàn)kW·h、678.1萬(wàn)kW·h。在理論發(fā)電量的基礎(chǔ)上，考慮空氣密度、風(fēng)電機(jī)組尾流、風(fēng)電機(jī)組可利用率、能量損耗、氣候等影響，計(jì)算測(cè)風(fēng)塔80m高度長(zhǎng)年代年單機(jī)等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)分別為2009h、1947h、2132h、2064h。風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的功率曲線見(jiàn)圖11。

圖11 四種型風(fēng)電機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的功率曲線

結(jié)語(yǔ)

（1）黃陂云霧山2882#測(cè)風(fēng)塔80m高度處長(zhǎng)年平均狀況下平均風(fēng)速分別為6.0m/s，平均風(fēng)功率密度為255.4W/m2。采用GW 87/1500kW、UP105/2000kW、H111/2000kW、EN121/2300kW四種機(jī)型估算測(cè)風(fēng)塔80m處標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的長(zhǎng)年代單機(jī)理論年發(fā)電量分別為430.5萬(wàn)kW·h、570.0萬(wàn)kW·h、609.2萬(wàn)kW·h、678.1萬(wàn)kW·h，長(zhǎng)年代年單機(jī)等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)分別為2009h、1947h、2132h、2064h。測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)能分布較集中，破壞性風(fēng)速少，且該區(qū)域海拔較低，有利于風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，因此該處風(fēng)能資源具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

（2）由于該風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃區(qū)域地形復(fù)雜，為了更詳細(xì)地了解該處風(fēng)能資源分布，建議在東北－西南走向山體的南部以及南邊的西北－東南走向山體的中部各建一座測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行觀測(cè)。

（3）云霧山風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃區(qū)域位于國(guó)家AAAA級(jí)景區(qū)內(nèi)，在利用風(fēng)能資源的同時(shí)，也不能忽視對(duì)景區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，做到商業(yè)效益與自然資源和諧統(tǒng)一，爭(zhēng)取將風(fēng)電場(chǎng)建成景中一景，讓游客在欣賞自然風(fēng)光的同時(shí)，感受獨(dú)特的風(fēng)車(chē)景觀，體驗(yàn)新能源產(chǎn)業(yè)將“風(fēng)害”變“綠電”的奇妙過(guò)程。

（4）極端氣候事件會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，增加成本和運(yùn)行的困難，在風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行過(guò)程中要特別注意低溫冰凍、雷暴、大風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響。

（作者單位：方怡，陳正洪，孫朋杰：湖北省氣象服務(wù)中心，湖北省氣象能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中心；陳城：武漢市黃陂區(qū)氣象局）

攝影：高石峰