臨汾市風(fēng)能資源區(qū)劃分析

吳海婷等

摘 要：為了明確臨汾市境內(nèi)風(fēng)電資源的豐匱及其分布狀況，區(qū)劃出風(fēng)電可利用區(qū)和不宜開(kāi)發(fā)區(qū)，將臨汾市所轄17個(gè)縣（市、區(qū)）氣象觀測(cè)站點(diǎn)的2000—2011年自記逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速資料進(jìn)行了平均風(fēng)速、有效風(fēng)速時(shí)數(shù)、平均有效風(fēng)能密度和劃分有效風(fēng)能區(qū)域的分析，繪制出全市年均風(fēng)能密度和風(fēng)能區(qū)劃圖。結(jié)果表明：市內(nèi)的蒲縣、隰縣中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區(qū)，是臨汾市風(fēng)能資源最豐富的區(qū)域，符合可開(kāi)發(fā)條件，為日后開(kāi)發(fā)利用提供了依據(jù)?？傮w而言，臨汾市屬風(fēng)電資源欠豐富區(qū)。但是，境內(nèi)地勢(shì)較高的連片山區(qū)，如南呂梁山區(qū)依然存有風(fēng)電資源可利用區(qū)，具備開(kāi)發(fā)利用的基本條件。

關(guān)鍵詞：有效風(fēng)力；有效風(fēng)能；風(fēng)能區(qū)劃

中圖分類號(hào)：P425.6+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號(hào)：2013-0321

District Division Analysis of Wind Energy Resource in Linfen City

Wu Haiting1， Li Lin2， Cao Qiaolian1， Li Guoqiang1， Wang Wenping1， Guo Jie1

（1Linfen Meteorology Bureau of Shanxi Province， Linfen 041000， Shanxi， China；

2Anyang Meteorological Bureau of Henan Province， Anyang 455000， Henan， China）

Abstract： In order to clarify the abundance， scarcity and distribution of wind power resources of Linfen， and divide the areas into wind power available and unavailable zones， the author analyzed the average wind speed， hours of effective wind speed， average effective wind energy density and the division of effective wind energy area based on the self-recording hourly wind data of meteorological observation stations in 17 counties （cities， districts） belonging to Linfen from 2000-2011， and plot the citys average annual wind energy density and wind zoning map. The results showed that： Pu County， mid-east of Xi County and south of Lvliang located in the mid-west of Fenxi County were regions that had the most abundant wind energy resources in the city， which also in accordance with the development conditions， it provided foundation for future development and utilization of wind energy resources. In general， Linfen was less abundant wind resource areas. However， the contiguous high mountain terrain in Linfen， such as south of Lvliang， still existed wind power resources available areas， and qualified for development and utilization.

Key words： Effective Wind Force； Effective Wind Energy； Wind Energy Division

0 引言

本研究給臨汾市區(qū)劃出可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能區(qū)域，為當(dāng)?shù)乩蔑L(fēng)能資源選址提供了依據(jù)。有研究指出，按年有效風(fēng)能時(shí)數(shù)的多少和年有效風(fēng)能密度的大小，將中國(guó)的風(fēng)能資源劃分為風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)和匱乏區(qū)4類，臨汾市被劃歸匱乏區(qū)。但是，臨汾市地勢(shì)復(fù)雜，汾河從中貫穿南北，東西是丘陵山區(qū)，海拔1000～2200 m，山區(qū)常年風(fēng)力較大，能否開(kāi)發(fā)市山區(qū)縣風(fēng)能資源是本研究課題的著眼點(diǎn)。在有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)風(fēng)資料站點(diǎn)的加密處理，對(duì)市轄全部17個(gè)縣（市、區(qū)）氣象觀測(cè)站2000—2011年逐時(shí)自計(jì)風(fēng)向風(fēng)速資料進(jìn)行了分析，得知蒲縣年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)5412 h，年有效風(fēng)能密度131 W/m2，年有效風(fēng)速頻率42%，該縣相鄰的隰縣、汾西縣的年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)和年有效風(fēng)能密度，也都達(dá)到風(fēng)能較豐富區(qū)或可利用區(qū)的要求。認(rèn)為以蒲縣為中心、聯(lián)合隰縣、汾西縣在南呂梁山區(qū)建設(shè)小范圍的風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)，利用這里的風(fēng)電資源是可行的[1-7]。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

利用臨汾市所轄17個(gè)縣（市、區(qū)）氣象觀測(cè)站2000—2011年連續(xù)自動(dòng)逐時(shí)記錄的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

在獲取各觀測(cè)站點(diǎn)有效風(fēng)速（≥3 m/s）資料的基礎(chǔ)上，將有效風(fēng)速的大小結(jié)合其相應(yīng)出現(xiàn)的時(shí)數(shù)換算成有效風(fēng)能密度，然后再分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算出各站點(diǎn)年有效風(fēng)能時(shí)數(shù)、有效風(fēng)速頻率和年有效風(fēng)能密度，將數(shù)值分別標(biāo)注到臨汾市行政地圖上，按照朱瑞兆等提供的全國(guó)劃分風(fēng)能資源標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)劃出臨汾市風(fēng)能資源的可利用區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效風(fēng)能時(shí)數(shù)

目前，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源的大小，主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算當(dāng)?shù)啬暧行эL(fēng)速時(shí)數(shù)和年有效風(fēng)能密度這2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)認(rèn)定。年有效風(fēng)速（3～20 m/s）時(shí)數(shù)，可從所轄各縣（市、區(qū)）氣象局（站）的連續(xù)自計(jì)風(fēng)向風(fēng)速記錄中獲取。表1是臨汾市17縣（市、區(qū)）2000—2011年有效風(fēng)能總時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

由表1可知，臨汾市有效風(fēng)速時(shí)數(shù)以西部的南呂梁山區(qū)大，隰縣、蒲縣、汾西3縣年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)>2000 h，尤其以蒲縣達(dá)5412 h，為全市最大；時(shí)數(shù)最小的區(qū)域出現(xiàn)在黃河沿岸的永和縣、鄉(xiāng)寧縣，≤720 h，比汾河谷地各平川縣（市、區(qū)）還??；東部山區(qū)也不大，在1329～1504 h之間，以浮山縣1504 h為東部山區(qū)最大，安澤縣次之。

按季月劃分，以春季（3—5月）為大，達(dá)584.7 h，占年總時(shí)數(shù)的37%，尤以4月最大，208.1 h；以秋季至冬季為小，9—12月平均96.5 h，其中10月份92.8 h為全年最小，見(jiàn)圖1。

2.2 平均有效風(fēng)能密度

本研究指3～20 m/s風(fēng)速的平均風(fēng)能密度，利用此風(fēng)速頻率按公式（1）～（2）計(jì)算獲得。

設(shè)風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速為V1，定額風(fēng)速為V2。本研究選用V1=3 m/s；V2=20 m/s，則滿足：

設(shè)T為該地某年（月）內(nèi)有效風(fēng)速的總時(shí)數(shù)，則：

式中：—欲求的平均有效風(fēng)能密度（W/m2）；ρ—空氣密度，取1.225 kg/m3；Ni—各有效風(fēng)力（Vi）的出現(xiàn)時(shí)數(shù)（h）。

按上式要求，對(duì)臨汾市17縣（市、區(qū)）2000—2011年平均有效風(fēng)能密度進(jìn)行求算，其結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，臨汾市風(fēng)能密度以蒲縣為中心的南呂梁山區(qū)最大，蒲縣、隰縣年均風(fēng)能密度>100 W/m2，為全市最大區(qū)域；沿黃河?xùn)|岸的永和縣、吉縣、鄉(xiāng)寧縣及古縣為全市小區(qū)域，年均<50 W/m2；其他平川地區(qū)和東部山區(qū)各縣，年均有效風(fēng)能密度50.3～72.6 W/m2之間，為全市中等。

臨汾市年均風(fēng)能密度的季、月分布：以冬、春季為大，12月—次年5月，月均>5 W/m2，其中尤以3月份最大，達(dá)7.44 W/m2；6—11月的夏、秋季，風(fēng)能密度小，月均<5 W/m2，尤以8月最小，只有3.8 W/m2。其地域分布，蒲縣12月—次年5月，月均風(fēng)能密度≥12.13 W/m2，6—11月平均7.5 W/m2，為全市最大。年均風(fēng)能密度小的永和縣、鄉(xiāng)寧縣、古縣1—12月，月風(fēng)能密度均<4 W/m2，永和縣12個(gè)月均<3 W/m2，是全市風(fēng)能密度最小。

2.3 風(fēng)能區(qū)劃

在探明臨汾市風(fēng)能資源分布狀況、了解各地風(fēng)能資源差異的基礎(chǔ)上，將臨汾市的風(fēng)能資源進(jìn)行了區(qū)劃，區(qū)劃的指標(biāo)有3條[8-11]：

（1）年均有效風(fēng)能密度的大小和年有效風(fēng)速可利用小時(shí)數(shù)的多少為區(qū)劃的一級(jí)指標(biāo)，其具體規(guī)定見(jiàn)表2。

（2）風(fēng)能的季節(jié)變化作為區(qū)劃的2級(jí)指標(biāo)。各季風(fēng)能密度大小和有效風(fēng)能時(shí)數(shù)多少，從大到小按序排位，以1、2、3、4分別代表春、夏、秋、冬4季。例如，春季有效風(fēng)能密度和有效風(fēng)速時(shí)數(shù)最大，冬季次之，就用“1、4”來(lái)表示，其他類推。

（3）風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)速設(shè)計(jì)，作為區(qū)劃的3級(jí)指標(biāo)。一般取當(dāng)?shù)赜幸欢ㄖ噩F(xiàn)期的最大風(fēng)速，以風(fēng)力機(jī)30年壽命為基準(zhǔn)，可分成4級(jí)：風(fēng)速>35～40 m/s為特強(qiáng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速，稱為特強(qiáng)壓型（a）；風(fēng)速30～35 m/s為強(qiáng)壓型（b）；25～30 m/s為中壓型（c）；<25 m/s為弱壓型（d）。臨汾市取弱壓（d）型。

按照上述3條風(fēng)能區(qū)劃指標(biāo)，采取重疊法對(duì)臨汾市風(fēng)能資源進(jìn)行區(qū)劃，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隰縣、蒲縣的中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區(qū)，是臨汾市風(fēng)能資源大的區(qū)域，屬風(fēng)能資源可利用區(qū)。風(fēng)能資源以春季最大，冬季次之，可安裝弱壓（d）型風(fēng)力機(jī)發(fā)電。臨汾市其他14個(gè)縣（市、區(qū)）均屬風(fēng)能資源貧乏區(qū)，不宜開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

本研究利用2000—2011年臨汾市所轄17個(gè)縣（市、區(qū)）氣象站的風(fēng)向風(fēng)速等自記記錄，進(jìn)行了年有效風(fēng)能時(shí)數(shù)和年有效風(fēng)能密度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并按風(fēng)能資源區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行了區(qū)劃分析。由分析可知，轄區(qū)內(nèi)隰縣、蒲縣的中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區(qū)，是臨汾市風(fēng)能資源最大區(qū)域，符合可開(kāi)采利用條件，這為這里風(fēng)電選址和可行報(bào)告的編制提供了科學(xué)依據(jù)[12-15]。

4 討論

（1）總體而言，臨汾市的風(fēng)力資源比較匱乏。但是，本研究對(duì)臨汾市風(fēng)力資源進(jìn)行區(qū)劃時(shí)發(fā)現(xiàn)，有蒲縣等3個(gè)山區(qū)縣，由于地勢(shì)較高，風(fēng)力資源達(dá)到可利用區(qū)的要求。因此，本研究成果可為蒲縣、隰縣、汾西縣聯(lián)網(wǎng)（或單獨(dú)）開(kāi)發(fā)利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源提供依據(jù)。

（2）所取蒲縣、隰縣、汾西縣的年有效風(fēng)力資料，均來(lái)源于該縣城郊?xì)庀笥^測(cè)站，站址相對(duì)平坦，其周?chē)鶠榍鹆辏ㄉ踔辽剑﹨^(qū)，相對(duì)高度差約100～200 m。按風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式（3）計(jì)算。

V=V0[H/H0]n…（3）

式中：V為距地面H高度處的風(fēng)速（m/s）；V0為高度H0處（即離地面10 m高處）的風(fēng)速（m/s）；n為冪指數(shù)，其大小取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，本地為硬地面，基本光滑，可取0.1。

則：V=V0[H/H0]0.1>V0…（4）

即近郊山上的風(fēng)速比氣象觀測(cè)站的風(fēng)速大，如果在近郊山上設(shè)置風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)，則所獲有效風(fēng)能要大于本研究結(jié)果。

（3）將臨汾市17縣（市、區(qū)）2000—2011年各月平均有效風(fēng)能密度值列于表（表略），分析可知：蒲縣、隰縣、汾西縣的平均有效風(fēng)能密度的月際變化，具有明顯的規(guī)律性，均以冬末至春初為大，夏末至秋初為??；最大值出現(xiàn)在3月，次大值出現(xiàn)在2、4月，其量值與最大值接近；月最小值出現(xiàn)在8月，次小值出現(xiàn)在9、10月，量值都很接近。這種風(fēng)能密度月、季變化的規(guī)律性和規(guī)律的同步性，都有利于該3縣聯(lián)網(wǎng)利用風(fēng)電。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱瑞兆，薛珩.中國(guó)風(fēng)能區(qū)劃[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1983，4（2）：123-132.

[2] 梁水林.風(fēng)能資源的評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的選擇[J].電力勘測(cè)，1997（3）：55-59.

[3] 丁一匯，任國(guó)玉.中國(guó)氣候變化科學(xué)概論[M].北京：氣象出版社，2008：63-87.

[4] 王瑛，李曉兵，息海波，等.中國(guó)可再生能源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].自然資源學(xué)報(bào)，2003，18（6）：753-759.

[5] 何紹木，鄭厚天，劉宏.基于GIS的可再生能源管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（2-1）：236-237.

[6] 邱涼，魚(yú)京善，秦樹(shù)林.風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].能源環(huán)境保護(hù)，2004，18（2）：33-35..

[7] 廖順寶，劉凱，李澤輝.中國(guó)風(fēng)能資源空間分布的估算[J].地球信息科學(xué)，2008，10（5）：551-556.

[8] 王遵婭，丁一匯，何金海，等.近50年來(lái)中國(guó)氣候變化特征再分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2004，62（2）：228-236.

[9] 江瀅，羅勇，趙宗慈.近50年我國(guó)風(fēng)向變化特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（6）：666-672.

[10] 黃世成，姜愛(ài)軍，劉聰，等.江蘇省風(fēng)能資源重新估算與分布研究[J].氣象科學(xué)，2007，27（4）：407-411.

[11] 榮艷淑，梁嘉穎.華北地區(qū)風(fēng)速變化的分析[J].氣象科學(xué)，2008，28（6）：655-658.

[12] 廖雪萍，凌洪，丘平珠，等.淺談適應(yīng)氣候條件的若干建筑設(shè)計(jì)策略[J].廣西氣象，2006，27（3）：44-46.

[13] 李曉燕，余志.基于MM5的沿海風(fēng)資源數(shù)值模擬方法研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2005， 26（3）：400-408.

[14] Von Axe W S. Energy， natural limits and abundance[J].EOS， Trans Amer. GeoPhys. Union，1974，55：828-832.

[15] Gustavson M R. Limits to wind Power utilization[J].Science，1979，204：13-17.