南寧市橫縣地區(qū)風能資源評估

何如，譚敏玲，羅紅磊，盧小鳳

（廣西氣象服務中心，南寧　530022）

南寧市橫縣地區(qū)風能資源評估

何如，譚敏玲，羅紅磊，盧小鳳

（廣西氣象服務中心，南寧530022）

基于廣西南寧市橫縣地區(qū)測風塔2012年5月～2013年4月的觀測資料，計算了風速、風功率密度等參數(shù)，利用風能資源評估方法分析了當?shù)馗黜楋L能資源參數(shù)的變化規(guī)律及其特征，評估了該地區(qū)的風能資源狀況。結(jié)果表明：觀測年度10～80m年平均風速和年平均風功率密度在4.7～7.2m·s-1、190.7～396.0W·m-2之間，且隨著高度的增加而增大；3～25m·s-1風速小時數(shù)在5207～8052h之間；最多風向為偏東北風，風能密度主要集中在NNE方向上，累計頻率達76.1%；50m高度上的年平均風功率密度為332.3W·m-2，風能資源等級為3級（＞300W·m-2），表明該地區(qū)的風能資源比較豐富。

風能資源；評估；風速；風功率密度；橫縣

在資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重的今天，風能資源作為可再生能源中成本較低、技術較成熟、可靠性較高的新能源，在廣西開發(fā)速度迅猛、風電容量集聚增大。風力發(fā)電在廣西綠色能源產(chǎn)業(yè)扮演著重要角色，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要舉措。在當前風電迅猛發(fā)展的新形勢下，做好風能資源豐富、具有開發(fā)前景地區(qū)的風能資源評估工作意義重大。

南寧市橫縣地區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)中部，地形以山地丘陵為主，擬建風電場地區(qū)風能資源較好，具備一定的開發(fā)利用價值。本文利用橫縣地區(qū)測風塔的觀測資料，根據(jù)相關的風能資源評估規(guī)范，對橫縣地區(qū)的風能資源狀況進行分析評估，為合理有效的開發(fā)利用當?shù)氐娘L能資源提供科學依據(jù)，對有關部門制定風電發(fā)展規(guī)劃、促進廣西經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1　資料和方法

1.1資料

利用南寧市橫縣地區(qū)一座測風塔（80m高）在2012年5月1日至2013年4月30日期間的風速、風向、氣壓、氣溫的觀測資料，以及橫縣氣象站的地面氣象觀測資料，且測風塔和氣象站的資料均通過了有效質(zhì)量控制審核。測風塔的測風數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)完整率為95.05%，滿足《風電場風能資源評估方法》［1］的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量要求。根據(jù)橫縣氣象參證站與測風塔同期風速相關關系進行測風數(shù)據(jù)插補訂正，得到連續(xù)一年測風時段內(nèi)完整的測風資料，用于計算測風塔的各項風能參數(shù)。

1.2方法

本文中空氣密度、風功率密度、風能密度、風切變指數(shù)等風能參數(shù)根據(jù)《風電場風能資源評估方法》［1］和《風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規(guī)范》［2］中給出的方法進行計算：

（1）空氣密度

空氣密度計算公式：

式中ρ為氣密度（kg·m-3），R為氣體常數(shù)（287J· kg-1·K-1），P為氣壓（hPa），T為平均開氏溫標絕對溫度（℃+273）。

訂正高度處的空氣密度：

式中ρz為訂正高度z處的空氣密度（kg·m-3），ρh為實際觀測高度h處的空氣密度（kg·m-3）。

根據(jù)測風塔實測的氣壓、氣溫數(shù)據(jù)，利用公式（1）、（2）計算測風塔80m高度各月空氣密度。

（2）平均風功率密度

平均風功率密度計算公式：

式中Dwp為設定時段的平均風功率密度（W·m-2），n為設定時段內(nèi)的記錄數(shù)，vi為第i個記錄風速（m·s-1）值，ρ為空氣密度（kg·m-3）。

（3）風能密度

風能密度計算公式：

式中DWE為風能密度（W·h·m-2），n為風速區(qū)間數(shù)目，ρ為空氣密度（kg·m-3），νi為第i風速區(qū)間的風速值（m·s-1），ti為某扇區(qū)或全方位第i個風速區(qū)間的風速發(fā)生的時間（h）。

（4）風切變指數(shù)

近地層風速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)。在廣西地區(qū)冪指數(shù)公式比對數(shù)公式可以更精確地擬合風速的垂直廓線。本文的風切變指數(shù)采用冪指數(shù)公式：

式中V2為高度Z2處的風速（m·s-1），V1為高度Z1處的風速（m·s-1），Z1一般取10m高度，α為風切變指數(shù)，其值的大小表明了風速垂直切變的強度。

2　測風塔所在地氣候概況

測風塔地處南寧市橫縣地區(qū)，位于廣西中部，屬南亞熱帶季風氣候，境內(nèi)日照充足，氣候溫暖，雨量充沛，夏長冬短，無霜期長。全年無霜期362天，多年平均氣溫21.5℃，一月最冷，月平均氣溫12.1℃，七月最熱，月平均氣溫28.4℃。多年平均降雨量1450.3mm，雨季集中在汛期4～9月，年平均相對濕度79%；年平均日照1649.4h。

3　風能資源評估

3.1空氣密度

利用公式（1）、（2）計算得出測風塔80m高度的年平均空氣密度為1.145kg·m-3，各月空氣密度在1.113～1.193kg·m-3之間，由于空氣熱脹冷縮的原理，因此測風塔夏季的空氣密度較小，冬季相對較大，尤其在氣溫最高的8月份空氣密度最小，在氣溫最低的1月份空氣密度最大。

3.2風能參數(shù)總體評價

圖1　測風塔80m高度空氣密度各月分布圖

利用公式（3）、（4）計算得出橫縣地區(qū)測風塔的風能參數(shù)（表1），測風塔10～80m高度3.0～25.0m·s-1等級風速小時數(shù)為5207～8052h，占全年的59%～92%，其中50m高度以上的有效風時數(shù)百分率均在90%以上，全年可發(fā)電小時數(shù)較高。測風塔10～80m高度的平均風速為4.7～7.2m·s-1，平均風功率密度為190.7～396.0W·m-2，且隨著高度的增加而增大。按照文獻［1］中風功率密度50m高度的等級標準，得到橫縣地區(qū)風電場的風能資源等級為3級（＞300W·m-2），風能資源較好。

表1　橫縣地區(qū)測風塔風能參數(shù)表

3.3風速的垂直變化

根據(jù)橫縣地區(qū)測風塔測風時段各高度的日平均風速實測值，利用公式（5）推算得到風切變指數(shù)為0.205。實測和擬合的風速廓線見圖2，可見平均風速隨高度逐層遞增，風速垂直切變基本符合冪指數(shù)規(guī)律。由于風切變較大，在進行風機選型時，可以適當提高輪轂高度，提高風能利用率。

圖2　測風塔平均風速廓線

3.3風速和風功率密度月變化、日變化特征

風速和風功率密度是風能資源參數(shù)中最能直接表達風能資源大小狀況的參數(shù)。風速和風功率密度的月變化幅度較大，平均風速在5.4～9.2m·s-1之間，最大最小風速差值為3.8m·s-1；各月平均風功率密度在154.1～848.6W·m-2之間，最大最小風功率密度差值為694.5W·m-2。由圖3可見，平均風速和平均風功率密度的月變化規(guī)律基本一致，均在11月至翌年2月相對較大，6月～8月相對較小，其中12月最大，8月最小。因此，冬季、春季是橫縣地區(qū)風能資源利用的最佳時期，秋季次之，夏季最差。

圖3　測風塔平均風速和平均風功率密度月變化曲線

測風塔平均風速日變化的范圍為6.4～7.7m·s-1，平均風功率密度的范圍為312.1～464.8W·m-2。平均風速和平均風功率密度的日變化特征都變現(xiàn)為白天小、夜間大的規(guī)律（圖4），即上午9點到下午20點期間風速相對較小，最小值出現(xiàn)在14～15點；21點至次日上午8點期間風速相對較大，最大值出現(xiàn)在05點。風速、風功率密度都呈現(xiàn)這樣的規(guī)律是由于測風塔海拔位置較高，白天湍流交換強，動量下傳到較低海拔地方，致使山上白天風速和風功率密度偏?。?］。由此可見，夜間尤其是凌晨一般是一天之中風能資源最好的時段。

圖4　測風塔80m平均風速和平均風功率密度日變化曲線

3.4風速頻率和風能頻率分布特征

風速頻率分布與風能頻率分布特征有明顯的差異（圖5），測風塔80m高度有效風速頻率為91.9%，且頻率較大的風速段大致集中在3～10m·s-1，所占比例為76.9%；風能頻率主要集中在7～15m·s-1，所占比例為70.5%。另外，風速和風能密度的分布較為對稱，由于風電場屬低風速型風電場，這樣更有利于風電機組對風能資源的利用。

圖5　測風塔80m風速頻率和風能頻率分布直方圖

3.5風向和風能密度分布

風向分布和風能密度分布基本一致（圖6），測風塔80m高度的年主導風向為偏東北風（NNE方向），占全年風向頻率的37.4%；風能密度分布也主要集中在NNE方向上，占全年的76.1%。由此可見，測風塔的風能很好的集中在NNE方向上，有利于風機排布和提高風電場發(fā)電力。

圖6　測風塔80m風向玫瑰圖（左）和風能密度玫瑰圖（右）

4　結(jié)論

（1）南寧市橫縣地區(qū)測風塔所在地位于廣西中部，屬于南亞熱帶季風氣候類型，日照充足，氣候溫暖，雨量充沛，夏長冬短，無霜期長。

（2）測風塔10～80m高度的年平均風速為4.7～7.2m·s-1，年平均風功率密度為190.7～396.0W·m-2，且隨著高度的增加而增大；50m高度上的年平均風功率密度為332.3W·m-2，該地區(qū)風能資源等級達到了3級（＞300W·m-2），說明該地區(qū)的風能資源比較豐富。

（3）測風塔的風速、風功率密度的月變化和日變化均較大，一年之中的11月至翌年2月是橫縣地區(qū)風能資源利用的最佳時期；一天之中在夜間21點至次日上午8點期間是風能資源最好的時段。

（4）測風塔各高度3～25m·s-1風速小時數(shù)為5207～8052h，全年可發(fā)電小時數(shù)較高。有效風速頻率為91.9%，頻率較大的風速段主要集中在3～10m· s-1，占76.9%，風能頻率較高的風速段主要集中在7～15m·s-1，占70.5%，風速和風能分布較為對稱，有利于風機對風能資源的利用。

（5）該地區(qū)的年主導風向為偏東北風（NNE方向），風能密度也主要集中在NNE方向上，累計頻率達76.1%，風能較為集中，有利于風機的排布、穩(wěn)定運行和提高發(fā)電力。

（6）測風塔的年空氣密度為1.145kg·m-3，冬季相對較大，夏季空氣密度較小。測風塔的風切變指數(shù)為0.205，風切變較大，風速隨高度逐層遞增，基本符合冪指數(shù)規(guī)律，因此在風機選型時可以適當提高輪轂高度以更好地利用風能。

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Evaluation on Wind Energy Resources of Wind Farm in Hengxian Area of Nanning

He Ru，Tan Min-ling，Luo Hong-lei，Lu Xiao-feng
（Guangxi Meteorological Service Center，Nanning，Guangxi，530022）

Based on wind tower data from May 2012 to April 2013 in Hengxian of Nanning，Wind velocity and average specific energy of wind were calculated.Wind Energy Evaluation methods were used to analyze the variation and characteristics of various wind energy parameters and evaluate of wind energy resource.The results show that during the period of time，the annual average wind speed and specific energy of 10～80m fall in between 4.7～7.2 m·s-1and 190.7～396.0W·m-2respectively，a rise with height is noted.Time of wind velocity in between 3～25 m·s-1on all heights of wind tower lays in between 5207 and 8052 hours，winds most frequently come from NNE.Wind power density is concentrated in NNE，accumulated frequencies can reach76.1%.The wind specific energy of 50m is 332.3 W·m-2，reaching level3 wind energy standard（＞300 W·m-2），indicating that wind power resources of this area are quite abundant.

wind energy resource；evaluation；wind speed；wind power density；Hengxian

P425.6+3

A

1673-8411（2015）03-0059-05

2014-12-18

廣西自然科學基金項目（2015GXNSFBA139189）

何如（1983-），女，廣西柳州人，碩士研究生，工程師，主要從事氣象資源開發(fā)和氣候可行性論證工作。