近10年陽江市地面風(fēng)場特征及風(fēng)能資源初探

黃先倫, 殷啟元, 麥宗天, 殷宏南

(1.陽江市氣象局 廣東陽江　529500；2.廣東省防雷中心 廣東廣州　510080)

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近10年陽江市地面風(fēng)場特征及風(fēng)能資源初探

黃先倫1, 殷啟元2, 麥宗天1, 殷宏南1

(1.陽江市氣象局 廣東陽江529500；2.廣東省防雷中心 廣東廣州510080)

摘要：利用2004年12月31日21：00—2014年12月31日20：00陽江地區(qū)2個觀測站逐小時(shí)觀測資料，分析陽江地區(qū)地面風(fēng)場特征。結(jié)果表明，陽江站年平均風(fēng)速為4.0 m/s，有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率為68.1%；陽春站年平均風(fēng)速為2.0 m/s，有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率為20.2%；陽江夏季盛行的風(fēng)是S風(fēng)和SSW風(fēng)，其他3個季節(jié)盛行的風(fēng)是NE風(fēng)和NNE風(fēng)。通過對陽江地區(qū)風(fēng)能初步評估發(fā)現(xiàn)陽江南部是風(fēng)能豐富地區(qū)，北部是風(fēng)能貧乏地區(qū)，可以利用陽江山地地形來建立風(fēng)電站。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用氣象； 風(fēng)速； 風(fēng)能； 風(fēng)能密度； Weibull分布； 陽江

風(fēng)能資源作為一種清潔的可再生能源，具有增加能源和保護(hù)環(huán)境的雙重功效。開發(fā)利用風(fēng)能資源是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)施能源和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效手段，因此風(fēng)能的開發(fā)和利用越來越受到全世界的重視。研究表明，我國擁有豐富的風(fēng)能資源儲量[1-2]，其中華南沿海地區(qū)或海拔高的地區(qū)適宜發(fā)展風(fēng)電站[3-5]。錢光明等[6]指出，如果風(fēng)機(jī)容量300 kW，那么廣東省沿海風(fēng)能裝機(jī)總量為550×104kW。廣東省沿海岸線2 km寬地帶年平均風(fēng)速≥5.5 m/s，屬于風(fēng)能豐富區(qū)，是沿海風(fēng)能開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域[7];廣東大陸海岸(含離海岸線50 km內(nèi)的陸地)是風(fēng)能可利用區(qū);而大陸內(nèi)地的丘陵、山地和盆地則是風(fēng)能年貧乏區(qū)，但在海拔高的地方也可以因地制宜利用風(fēng)能資源[8]。陽江處于廣東省西南沿海地區(qū)，風(fēng)力資源十分豐富[9]，目前海陵島、陽東以及陽西沿海一帶已建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站，但遠(yuǎn)離海岸線的地區(qū)卻沒有發(fā)展風(fēng)力發(fā)電站。因此了解陽江地區(qū)風(fēng)能資源分布特征，對陽江風(fēng)能開發(fā)具有重要意義。

1資料及方法

本研究利用2004年12月31日21：00—2014年12月31日20：00陽江地區(qū)2個觀測站逐時(shí)觀測資料，對陽江地面風(fēng)場特征和風(fēng)能進(jìn)行分析。陽江市管轄2個觀測站點(diǎn)，即陽江站和陽春站，其中陽江觀測站位于陽江市南部，海拔高度89.9 m，處于髻山山頂；陽春站在陽江市北部，海拔高度37.7 m，位于陽春市城區(qū)里。風(fēng)的等級劃分見蒲福風(fēng)級表，其中0級風(fēng)表示靜風(fēng)；有效風(fēng)速為3.0～20.0 m/s。季節(jié)統(tǒng)計(jì)則按照3—5月、6—8月、9—11月、12月到次年2月為1年中的春、夏、秋、冬4季。

風(fēng)能密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的風(fēng)能，通過單位截面積的風(fēng)所含的能量稱為風(fēng)能密度(W/m2)。它是描述一個地方風(fēng)能潛力的最方便最有價(jià)值的量，但是在實(shí)際當(dāng)中風(fēng)速每時(shí)每刻都在變化，不能使用某個瞬時(shí)風(fēng)速值來計(jì)算風(fēng)能密度，只有長期風(fēng)速觀察資料才能反映其規(guī)律，因此用平均風(fēng)能密度的概念。風(fēng)能密度是決定風(fēng)能潛力大小的重要因素。風(fēng)能密度和空氣的密度有直接關(guān)系，而空氣的密度則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風(fēng)能密度是不同的。風(fēng)能密度公式具體參看文獻(xiàn)[7]。

2陽江各站點(diǎn)地面風(fēng)場特征分析

2.1風(fēng)速年際變化與季節(jié)變化

從年平均風(fēng)速逐年變化可以看出(圖略)，陽江地區(qū)的年平均風(fēng)速呈逐年略微減小趨勢，這與羅偉華等[10]的研究結(jié)果一致。陽江站年平均風(fēng)速為4.0 m/s，而陽春站只有2.0 m/s(表1)。陽江站月平均風(fēng)速都屬于有效風(fēng)速范圍，陽春站月平均風(fēng)速在1.8～2.2 m/s之間，無論陽江站還是陽春站8月平均風(fēng)速都是最小值，而12和1月平均風(fēng)速為最大值。從季節(jié)變化來看(表略)，各站平均風(fēng)速冬季最大，陽江站為4.3 m/s，陽春站2.1 m/s；秋季和春季次之，而夏季平均風(fēng)速則為最小。

表1　陽江陽春站月平均平均和極大風(fēng)速　m/s

分析每月的極大風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，陽江站的極大風(fēng)速為52.2 m/s，出現(xiàn)在2008年9月24日，是在超強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”過程中錄得；次大值是2013年8月14日在超強(qiáng)臺風(fēng)“尤特”過程中錄得，為43.5 m/s。陽春站的極大風(fēng)速為27.7 m/s，是在臺風(fēng)“巨爵”過程中錄得。從表1中還可以看出，陽江市較強(qiáng)的極大風(fēng)速出現(xiàn)在6—9月，這是由于臺風(fēng)影響的原因。

2.2風(fēng)向頻率變化

從整年風(fēng)向頻率來看(表2)，陽江站頻率出現(xiàn)最多的風(fēng)是NE風(fēng)，為24.6%，頻率出現(xiàn)較多的風(fēng)還有NNE和SSE風(fēng)，分別為16.0%和9.7%，出現(xiàn)最少的有W、WSW和WNW風(fēng)，這3個方向的風(fēng)的出現(xiàn)頻率都不到1.5%。從各個季節(jié)上看，除了夏季之外，其他3個季節(jié)都是NE和NNE風(fēng)的出現(xiàn)頻率較多，而夏季出現(xiàn)頻率較多的是S、SSW和SSE風(fēng)。陽春站與陽江站情況類似，春、秋、冬季以及年平均風(fēng)的出現(xiàn)頻率最多的也是NNE和NE風(fēng)，夏季出現(xiàn)頻率較多的是S和SSW風(fēng)。出現(xiàn)頻率較少的是WNW、W和E風(fēng)。

表2　陽江各站較多和較少風(fēng)向頻率

2.3風(fēng)速頻率變化

從風(fēng)速等級頻率來看(圖1)，陽江站靜風(fēng)出現(xiàn)的頻率很低，只有0.2%，有效風(fēng)速(EWS)出現(xiàn)的頻率最高，為68.1%。陽江站1～4級風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高，共占97.1%，其中2和3級風(fēng)的出現(xiàn)頻率分別為34.8%和38.5%。5～12級風(fēng)的出現(xiàn)頻率依次減少，12級風(fēng)更是沒有出現(xiàn)過。陽春站情況也類似，靜風(fēng)出現(xiàn)的頻率為16.0%，有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率為20.2%。1～3級風(fēng)共出現(xiàn)的頻率為97.7%，其中1和2級風(fēng)的出現(xiàn)頻率為40.9%和43.9%；7～12級風(fēng)沒有出現(xiàn)過。

圖1　陽江風(fēng)速頻率

2.4風(fēng)速概率Weibull分布參數(shù)

描述風(fēng)速概率分布有多種模式，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為Weibull分布對風(fēng)能計(jì)算而言是比較好的模式，也是目前風(fēng)電開發(fā)中應(yīng)用最多的一種模式[11]。研究表明，近地層形狀參數(shù)k隨高度增加而增大，在60～70 m附近達(dá)到極大值，隨后k隨高度增加而減小。尺度參數(shù)c隨高度服從指數(shù)變化。通過參數(shù)k、c能近似擬合風(fēng)電場實(shí)際風(fēng)速頻率分布，了解風(fēng)電場的風(fēng)速特性。因此，雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)曲線的擬合對實(shí)際風(fēng)能資源的評估、風(fēng)力機(jī)的選擇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量以及風(fēng)電場年總發(fā)電量的計(jì)算都是很重要的參數(shù)。Weibull分布的尺度參數(shù) c取決于風(fēng)速的時(shí)間特征和該分布與平均風(fēng)速之間的某種特定關(guān)聯(lián)；形狀參數(shù)k表達(dá)該分布的形狀。k的值為1～3.5，k值越大，說明風(fēng)速波動越小越適合風(fēng)力發(fā)電。本研究采用最小二乘法計(jì)算得到陽江和陽春站的尺度參數(shù)c和形狀參數(shù)k(見表3)。從表3上可以看出，陽江站冬季風(fēng)速波動最小，最適合發(fā)電，而陽春站4個季節(jié)風(fēng)速波動變化相差很小，秋季最適合發(fā)電。

表3　陽江各站點(diǎn)Weibull參數(shù)

3陽江市風(fēng)能資源初步評估

風(fēng)能資源豐富與否決定于風(fēng)能密度的大小和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)的多少。評價(jià)風(fēng)能的指標(biāo)有：平均風(fēng)能密度、有效風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)數(shù)、平均有效風(fēng)能密度。圖2為風(fēng)能密度在各個風(fēng)速等級上的分布。

圖2　風(fēng)能密度在風(fēng)速等級上的分布

可知，風(fēng)能密度在各個風(fēng)速等級上出現(xiàn)的分布呈單峰型，陽江站3～5級風(fēng)的風(fēng)能密度貢獻(xiàn)最大，占83.9%；陽春站2和3級風(fēng)的風(fēng)能密度貢獻(xiàn)最大，為86.9%；陽江站出現(xiàn)有效風(fēng)能密度(EWSD)的頻率為94.2%，而陽春站為72.4%。

圖3是各站各個方向風(fēng)能密度的分布。從圖3來看，陽江站NE方向和NNE方向風(fēng)能密度最多，兩者占全年的56.3%。陽春站風(fēng)能密度呈兩個方向的集中，一個在N、NE和NNE方向，占全年54.6%，一個在SE、SSE、S和SSW方向，占全年35.1%。

圖3　陽江(a)和陽春(b)各個方向上的風(fēng)能密度分布(單位：W/m2)

通過計(jì)算陽江各站點(diǎn)風(fēng)能資源參數(shù)(表4)，發(fā)現(xiàn)陽江站平均風(fēng)能密度64.8 W/m2，平均有效風(fēng)能密度為89.4 W/m2，年平均有效風(fēng)速時(shí)數(shù)5 913.3 h；而陽春站年平均風(fēng)能密度10.2 W/m2，平均有效風(fēng)能密度為36.5 W/m2，年平均有效風(fēng)速時(shí)數(shù)1 765.2 h。比較表4和表5，發(fā)現(xiàn)陽江站(陽江市南部)都是風(fēng)能豐富區(qū)域，而陽春(陽江市北部)則是較為貧乏區(qū)域。

表4　各站點(diǎn)風(fēng)能資源參數(shù)

表5　我國風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

4結(jié)論

1)陽江站年平均風(fēng)速4.0 m/s，極大風(fēng)速為52.2 m/s。出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)等級是1～4級，占97.1%，有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率為68.1%。除夏季外，陽江站出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)是NE和NNE風(fēng)，而夏季出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)是S和SSW風(fēng)。

2)陽春站年平均風(fēng)速2.0 m/s，極大風(fēng)速為27.7 m/s。出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)等級是1～3級風(fēng)，占97.7%，有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率為20.2%。除夏季外，陽春站出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向是NNE和NE方向，而夏季出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向是SSW和S方向。

3)根據(jù)Weibull分布，發(fā)現(xiàn)陽江站冬季風(fēng)速波動最小，最適合發(fā)電；陽春站4個季節(jié)風(fēng)速波動變化相差很小，秋季最適合發(fā)電。

4)陽江站年平均有效風(fēng)速時(shí)數(shù)為5 913.3 h，年平均有效風(fēng)能密度為89.4 W·m-2，有效風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率為94.2%，是風(fēng)能資源較豐富地區(qū)；陽春站年平均有效風(fēng)速時(shí)數(shù)為1 765.2 h，年平均有效風(fēng)能密度為36.5 W·m-2，有效風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率為72.4%，是風(fēng)能資源貧乏地區(qū)。

目前，陽江靠海一帶已經(jīng)建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站，而陽春地區(qū)卻沒有建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站，通過上面的研究表明，陽春站是風(fēng)能資源貧乏地區(qū)，但是風(fēng)的局地性特征明顯，風(fēng)速的大小與測風(fēng)儀所在位置有很大關(guān)系。陽春站位于城市中心，周邊建筑物多，測得風(fēng)速較小。由于風(fēng)隨高度的變化服從指數(shù)律，其指數(shù)n與下墊面有關(guān)[12]，平均在0.18～0.21之間，而風(fēng)能指標(biāo)又與c成正比，與k呈指數(shù)關(guān)系，所以風(fēng)能指標(biāo)在近地層也是隨高度增加而增大的[13]。陽春處于天露山和云霧山環(huán)繞中，山地多，因此利用山地建立風(fēng)電站十分可行。

參考文獻(xiàn):

[1]中國氣象局.中國風(fēng)能資源評估報(bào)告[M].北京：氣象出版社，2006.

[2]薛桁，朱瑞兆.中國風(fēng)能資源貯量估算[J].太陽能學(xué)報(bào)，2001，22(2)：167-170.

[3]秦鵬，黃浩輝，植石群.東莞風(fēng)能資源的評估及開發(fā)利用[J].廣東氣象，2011，33(6)：47-50.

[4]李劍兵.雷州半島風(fēng)力資源初析[J].廣東氣象，1995，17(1)：12-15.

[5]李斌喜，何知，周紹敏，等.玉林大容山地區(qū)風(fēng)能資源分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2014，35(4)：63-66.

[6]錢光明，羅金玲，戴景茹，等.廣東省沿海風(fēng)能儲量及開發(fā)前景分析[J].廣東氣象，1998，20(4)：2-4.

[7]植石群，錢光明.廣東省沿海風(fēng)能的分析及計(jì)算[J].氣象，2001，27(5)：34，44，54，64.

[8]吳開嘉.廣東省風(fēng)能資源的計(jì)算及分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，1989，5(1)：79-84.

[9]毛慧琴，宋麗莉，黃浩輝，等.廣東省風(fēng)能資源區(qū)劃研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(5)：679-683.

[10]羅偉華，張明志，姚建春.近47年來廣東地面氣候變化基本特征[J].廣東氣象，2009，31(1)：35-38.

[11]Justus C G. Methods for estimating wind speed frequency distribution[J].Journal of Applied Meteor rdogy，1978,17:(3):350-353.

[12]王志春，宋麗莉，黃光，等.沿海地區(qū)風(fēng)速指數(shù)的計(jì)算[J].廣東氣象，2006，28(4)：17-18.

[13]胡毅，李萍，楊建功，等.應(yīng)用氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2005.

收稿日期：2015-07-05

作者簡介：黃先倫(1983年生)，男，工程師，碩士研究生，主要從事短期天氣氣候預(yù)報(bào)。E-mail：278803532@qq.com

中圖分類號：P49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.013

黃先倫, 殷啟元, 麥宗天, 等.近10年陽江市地面風(fēng)場特征及風(fēng)能資源初探[J].廣東氣象，2016,38(1)：53-56.