舟山摘箬山島風(fēng)能資源評價*

徐 珊，郭 晟，何巧力，季 建，范會生

（1.浙江省海洋開發(fā)研究院 舟山 316100；2.南昌工學(xué)院建筑工程學(xué)院 南昌 330108）

舟山摘箬山島風(fēng)能資源評價*

徐 珊1，郭 晟2，何巧力1，季 建1，范會生1

（1.浙江省海洋開發(fā)研究院 舟山 316100；2.南昌工學(xué)院建筑工程學(xué)院 南昌 330108）

文章利用摘箬山島風(fēng)電場70 m高測風(fēng)塔2011年1月—2014年1月的觀測資料，對平均風(fēng)速、風(fēng)速頻率、風(fēng)向頻率、風(fēng)能頻率、有效風(fēng)力時數(shù)及風(fēng)功率密度等風(fēng)能參數(shù)進(jìn)行計算分析，并依據(jù)國標(biāo)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB／T18710－2002）中風(fēng)功率密度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電場的風(fēng)能資源進(jìn)行評估。結(jié)果表明：風(fēng)電場各高度年平均風(fēng)速在3.28～6.56 m／s，風(fēng)速頻率主要集中區(qū)間為1～8 m／s，有效風(fēng)力時數(shù)為54.5%～86.9%，年平均風(fēng)功率密度為54.8～283.2 W／m2。風(fēng)電場10 m和70 m處主導(dǎo)風(fēng)向分別為N風(fēng)和S風(fēng)，頻率分別為13.0%和13.4%，主導(dǎo)風(fēng)能分別為N風(fēng)和NNW風(fēng)，頻率分別為14.7%和14.8%。該風(fēng)電場風(fēng)功率密度接近3級，具有一定開發(fā)利用價值。

風(fēng)電場；風(fēng)能資源；評價

1 引言

舟山是我國首個以海洋經(jīng)濟為主題的國家級新區(qū)，海洋經(jīng)濟發(fā)展離不開能源供給，而舟山作為一個海島城市，常規(guī)能源十分匱乏，遠(yuǎn)不能滿足新區(qū)建設(shè)的需求。因此，開發(fā)利用新能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，滿足能源供給，已成為舟山能源發(fā)展的必然趨勢。風(fēng)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，發(fā)展風(fēng)電對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染等發(fā)揮著重要意義。風(fēng)能資源作為舟山繼深水岸線之后的又一戰(zhàn)略性稀缺資源，風(fēng)能資源十分豐富。近年來，舟山大力推進(jìn)風(fēng)電發(fā)展，目前已建成衢山美達(dá)、國電舟山岑港和華電長白等3個風(fēng)電場，總裝機容量為9.78萬k W，在建定海小沙、嵊泗1號、岱山美達(dá)、岱山長涂、金塘島和六橫等6個風(fēng)電場，總裝機容量為17.05萬k W。根據(jù)《舟山市風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃》，到2015年全市風(fēng)電場總裝機容量將達(dá)87萬k W，其中陸上風(fēng)電場27萬k W，近海風(fēng)電場60萬k W，舟山風(fēng)電將進(jìn)入一個快速發(fā)展階段［1］。因此，風(fēng)能資源評估是建設(shè)風(fēng)電場的關(guān)鍵，對風(fēng)能資源進(jìn)行詳細(xì)勘測和分析是進(jìn)行風(fēng)能資源評估的前提條件。

本研究利用摘箬山島的測風(fēng)數(shù)據(jù)，對其風(fēng)能資源進(jìn)行分析和評價，旨在為摘箬山島建設(shè)風(fēng)光流混合供電集成控制系統(tǒng)示范工程提供科學(xué)依據(jù)。

2 摘箬山島概況

摘箬山島是我國目前唯一一個以發(fā)展科技為主要使命的海洋科技島，將建設(shè)成為集科研、教育、示范、中試、休閑、旅游、生態(tài)為一體的國家級海洋科教島。該島位于離舟山本島8 km的南部海域，29°56′N，122°5′E。海岸線線長7.27 km，屬基巖海岸，面積2.7 km2，其中陸域面積2.34 km2，灘涂面積0.36 km2。全島地形多為山地丘陵，最高點海拔215 m。該島屬北亞熱帶南緣海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16℃，空氣濕潤，適合休閑觀光旅游。島上有東、西、北三岙，每個岙口都三面環(huán)山，一面臨海，中央形成3個較大的腹地。該島為舟山各島中水深條件最好最深的島嶼之一，其南部海域螺頭水道為國際航道所經(jīng)處，也是寧波北侖港、大榭港等的主要進(jìn)出通道。

3 測風(fēng)數(shù)據(jù)來源

為準(zhǔn)確評估摘箬山島風(fēng)能資源，在該島山頂安裝了一座70m測風(fēng)塔進(jìn)行現(xiàn)場測風(fēng)。測風(fēng)塔位于29°56′44.7″N，122°05′05.0″E，海拔206 m，測風(fēng)設(shè)備采用Nomad－2型測風(fēng)儀，其中在10 m、30 m、50 m、60 m和70 m處安裝C3風(fēng)速傳感器，在10 m和70 m處安裝PV－1風(fēng)向傳感器，并在70 m處安裝了溫度和氣壓傳感器［2］。

本研究分析采用2011年1月20日—2014年1月20日3個完整年的逐時風(fēng)速、風(fēng)向資料。依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB／T18710－2002）對資料的合理性和完整性進(jìn)行檢驗，測風(fēng)資料均屬于合理數(shù)據(jù)，10 m、30 m、50 m、60 m和70 m 5個高度資料的完整率分別在91.2%、92.3%、92.7%、93.8%、93.6%，符合GB／T18710－ 2002中風(fēng)電場風(fēng)能資源評價所用資料完整率必須在90%以上的要求［3］。

4 風(fēng)能資源評估

4.1 平均風(fēng)速

計算得到測風(fēng)塔10 m、30 m、50 m、60 m和70 m處年平均風(fēng)速為3.28 m／s、4.74 m／s、5.60 m／s、6.16 m／s、6.56 m／s（表1）?？梢姡S著高度的增加，風(fēng)速不斷增大。從不同高度逐月平均風(fēng)速看，10 m處月平均風(fēng)速在2.08～4.51 m／s，30 m處月平均風(fēng)速在3.93～5.78 m／s，50 m處月平均風(fēng)速在4.46～6.39 m／s，60 m處月平均風(fēng)速在4.52～7.02 m／s，70 m處月平均風(fēng)速在5.82～7.18 m／s。不同高度平均風(fēng)速的年變化趨勢基本一致，均是6月最小，12月最大。

表1 測風(fēng)塔各高度月及年平均風(fēng)速m／s

圖1為各高度平均風(fēng)速日變化圖。5個高度上風(fēng)速日變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)典型的“雙峰型”特征。在早上5—6時和晚上19—20時之間出現(xiàn)2個峰值，最大峰值出現(xiàn)在晚上19—20時之間。

圖1 測風(fēng)塔各高度平均風(fēng)速日變化

4.2 風(fēng)速頻率

不同高度的風(fēng)速頻率分布見表2。在10 m處，1 m／s風(fēng)速出現(xiàn)的頻率最大，占18.7%，在30 m處，4 m／s和5 m／s風(fēng)速出現(xiàn)頻率最大，均占16.3%，而50 m、60 m和70 m處均是5 m／s風(fēng)速出現(xiàn)頻率最大，分別占15.6%、15.1%和16.4%。此外，不同高度風(fēng)速頻率主要集中區(qū)域不同，10 m處風(fēng)速頻率主要集中在1～5 m／s風(fēng)速區(qū)間，此區(qū)間風(fēng)速頻率為78.7%。30 m處風(fēng)速頻率主要集中在2～7 m／s風(fēng)速區(qū)間，此區(qū)間風(fēng)速頻率為77.4%。50 m、60 m、70 m處風(fēng)速頻率主要集中在3～8 m／s風(fēng)速區(qū)間，此區(qū)間風(fēng)速頻率分別為72.9%、71.7%、70.0%。其中10 m、30 m、50 m、60 m、70 m 5個高度風(fēng)速小于3 m／s的小風(fēng)速頻率分別為41.1%、15.8%、11.9%、11.3%、9.1%，風(fēng)速大于等于9 m／s的大風(fēng)速頻率分別為2.9%、9.7%、15.2%、17%、20.9%。

表2 測風(fēng)塔各高度風(fēng)速頻率%

4.3 風(fēng)向頻率

從圖2中可以看出，不同高度16個風(fēng)向出現(xiàn)頻率不同。10 m處，以北風(fēng)（N）、西北風(fēng)（NW）及西南風(fēng)（SW）、西南偏南風(fēng)（SSW）出現(xiàn)頻率較多，這4個風(fēng)向累計頻率為39.3%，其中主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)（N），頻率為13.0%，次主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)（SW），頻率為9.6%。70 m處，以北風(fēng)（N）、西北偏北風(fēng)（NNW）及南風(fēng)（S）、東南偏南風(fēng)（SSE）、東南風(fēng)（SE）出現(xiàn)頻率較多，這5個風(fēng)向累計頻率為52.2%，其中主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)（S），頻率為13.4%，次主導(dǎo)風(fēng)向為西北偏北風(fēng)（NNW），頻率為12.4%。

圖2 測風(fēng)塔10 m和70 m處風(fēng)向玫瑰圖

4.4 風(fēng)能頻率

表3為測風(fēng)塔10 m和70 m處各風(fēng)向風(fēng)能頻率，10 m處主導(dǎo)風(fēng)能為北風(fēng)（N），頻率為14.7%，次主導(dǎo)風(fēng)能為西南風(fēng)（SW），頻率為11.2%，主次風(fēng)能頻率之和為25.9%；70 m處主導(dǎo)風(fēng)能為西北偏北風(fēng)（NNW），頻率為14.8%，次主導(dǎo)風(fēng)能為南風(fēng)（S），頻率為14.1%，主次風(fēng)能頻率之和為28.9%。由此可見各風(fēng)向風(fēng)能分布規(guī)律基本與風(fēng)向頻率分布相似。

表3 測風(fēng)塔10 m和70 m處各風(fēng)向風(fēng)能頻率%

4.5 有效風(fēng)力時數(shù)

在實際風(fēng)力利用中，風(fēng)速＜3 m／s時風(fēng)力機一般不能啟動，而＞20 m／s的風(fēng)速有可能損壞風(fēng)機，常采用停機措施。因此一般將3～20 m／s的風(fēng)速作為有效風(fēng)速，有效風(fēng)速直接決定了該地風(fēng)力發(fā)電的能力。經(jīng)過計算統(tǒng)計3年摘箬山島主要風(fēng)能特征數(shù)據(jù)，共26 304 h，實際接收到的測試數(shù)據(jù)時數(shù)為24 725 h，不同高度有效風(fēng)力時數(shù)如表4所示。其中10 m、30 m、50 m、60 m、70 m高處3年有效風(fēng)力時數(shù)分別為12 036 h、17 921 h、18 903 h、19 135 h、17 790 h，分別占總時數(shù)的54.5%、81.3%、85.6%、86.9%、80.6%。

表4 測風(fēng)塔不同高度有效風(fēng)力時數(shù)

4.6 風(fēng)功率密度

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)電場風(fēng)能資源評估的綜合指標(biāo)。利用逐小時測風(fēng)資料計算測風(fēng)塔不同高度年平均風(fēng)功率密度（表5），10 m、30 m、50 m、60 m、70 m高度處年平均風(fēng)功率密度分別為54.8 W／m2、148.1 W／m2、208.0 W／m2、275.1 W／m2、283.2 W／m2。按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB／T18710－2002）中給出的風(fēng)功率密度等級［4－5］，該風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級接近3級風(fēng)況標(biāo)準(zhǔn)，其風(fēng)能資源具有一定的開發(fā)價值。

表5 測風(fēng)塔不同高度各月及年平均風(fēng)功率密度W／m2

5 測風(fēng)背景分析

舟山市氣象局具有1971年以來的長期測風(fēng)資料，常年風(fēng)速主要集中在3.0 m／s～6.8 m／s之間，年平均風(fēng)速為4.83 m／s，其中1月、3月、12月平均風(fēng)速最大，6月平均風(fēng)速最小，全年風(fēng)速頻率在3～8 m／s風(fēng)速區(qū)間最大。

全年主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)能為偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，其中當(dāng)年9月至翌年3月，其風(fēng)向主要集中為NNE、N、NNW風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)，4～8月，其風(fēng)向主要集中為S、SSE、SE風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)。年有效風(fēng)力時數(shù)達(dá)7 000 h以上，其百分率占80%以上，近海岸風(fēng)功率密度達(dá)200 W／m2以上，遠(yuǎn)海島嶼風(fēng)功率密度達(dá)280 W／m2以上。

比較摘箬山島風(fēng)電場與舟山市氣象局多年統(tǒng)計的測風(fēng)數(shù)據(jù)，可以看出：摘箬山島風(fēng)電場在測風(fēng)期間的平均風(fēng)速在3.28～6.56 m／s之間，年平均風(fēng)速為5.27 m／s，稍高于舟山市多年測風(fēng)數(shù)據(jù)。

此外，其主導(dǎo)風(fēng)向、主導(dǎo)風(fēng)能、有效風(fēng)力時數(shù)及風(fēng)功率密度與多年測風(fēng)數(shù)據(jù)接近。由此表明，摘箬山島風(fēng)電場測風(fēng)期間是在平均風(fēng)速稍高于多年平均風(fēng)速的氣候背景下進(jìn)行的。

6 小結(jié)

（1）測風(fēng)塔10 m、30 m、50 m、60 m和70 m處年平均風(fēng)速分別為3.28 m／s、4.74 m／s、5.60 m／s、6.16 m／s、6.56 m／s，而且不同高度風(fēng)速頻率集中區(qū)間會各不相同，其中50 m、60 m、70 m處風(fēng)速頻率主要集中在3～8 m／s風(fēng)速區(qū)間，同時此區(qū)間風(fēng)速頻率分別為72.9%、71.7%、70.0%。

（2）不同高度風(fēng)向頻率和風(fēng)能頻率分布不同，但同一高度各風(fēng)向頻率分布與風(fēng)能頻率分布基本相似。10 m處，主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)能均為N，頻率分別為13.0%和14.7%。70 m處，主次風(fēng)向分別為S和NNW，頻率分別為13.4%和12.4%，主次風(fēng)能分別為NNW和S，頻率分別為14.8%和14.1%。風(fēng)向和風(fēng)能頻率集中有利于風(fēng)機的排列布局和穩(wěn)定運行。

（3）測風(fēng)塔在不同高度10 m、30 m、50 m、60 m和70 m處的有效風(fēng)力時數(shù)百分比分別為54.5%、81.3%、85.6%、86.9%、80.6%。從風(fēng)速分布來看，較大比例在可利用區(qū)間，風(fēng)能品質(zhì)較好。

（4）測風(fēng)塔在不同高度10 m、30 m、50 m、60 m和70 m處的風(fēng)功率密度分別為54.8 W／m2、148.1 W／m2、208.0 W／m2、275.1W／m2、283.2 W／m2。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》中給出的風(fēng)功率密度等級，摘箬山島風(fēng)功率密度等級接近3級，其風(fēng)能資源具有一定的開發(fā)價值。

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