廣州南沙區(qū)風能資源評估

趙小偉，祁秀香，林中慶

（南沙區(qū)氣象局，廣東廣州　511457）

廣州南沙區(qū)風能資源評估

趙小偉，祁秀香，林中慶

（南沙區(qū)氣象局，廣東廣州511457）

通過分析位于南沙區(qū)萬頃沙十七涌的70 m風塔的2008年數(shù)據(jù)，對南沙區(qū)風能資源進行了分析，結(jié)果標明：2008年20 m高度上熱帶氣旋對有效風功率密度的貢獻率為17.8%，有熱帶氣旋影響月份熱帶氣旋對風功率密度平均貢獻率達到34.7%。10、20、40、60 m 4個高度的有效風速時數(shù)介于3 278～5 862 h，根據(jù)風能區(qū)劃等級中有效風速時數(shù)標準，四個高度的風能資源介于可利用區(qū)到豐富區(qū)之間；根據(jù)風能區(qū)劃等級中年有效風功率密度標準，四個高度的年有效風功率密度介于84.0～148.6 W/m2，風能資源均屬可利用區(qū)，綜合有效風速時數(shù)和年有效風功率密度兩個要素可確定南沙區(qū)風能資源屬可利用區(qū)，不具備大型風電場并網(wǎng)發(fā)電的風能資源條件，但具備一定利用價值。

應(yīng)用氣象；風能資源；有效時數(shù)；風功率密度；廣州南沙區(qū)

趙小偉，祁秀香，林中慶.廣州南沙區(qū)風能資源評估［J］.廣東氣象，2015，38（4）：59-62.

風能資源評估是風能資源開發(fā)中一項極其重要的基礎(chǔ)性工作，是確定風電場選址和裝機容量及布置的依據(jù)。目前廣東已建成投產(chǎn)的風電場主要分布在珠江口兩側(cè)和粵西、粵東沿海，風能發(fā)電量全國排名第二，但相對于豐富的風能資源來說，規(guī)模還較小，風能開發(fā)還有很大發(fā)展空間。20世紀80年代以來，我國對風能的研究逐漸深入，朱兆瑞等［1］研究了我國風能資源的儲量及分布；毛慧琴等［2］開展了廣東省風能資源的宏觀區(qū)劃和風電場選址區(qū)劃研究；錢光明等［3］對廣東省沿海風能儲量及開發(fā)前景進行了分析；秦鵬等［4］對東莞市的風能資源進行了評估，結(jié)論是東莞市各區(qū)域均不具備大型風電場并網(wǎng)發(fā)電的風力資源條件。這些研究揭示了我國及廣東地區(qū)的風能分布特征及開發(fā)利用前景。

正常情況下風能電機組的輪轂高度在50～65 m，葉片部分所能達到的最低高度約為25 m，常規(guī)氣象站和自動站的風觀測資料最高一般只有10 m，評估實際風能資源需要通過計算風切變指數(shù)來推算10 m以上高度的風速，而風切變指數(shù)受到地形地貌的影響，難以做到精確計算，在一定程度上影響了風能資源評估的準確性。本研究利用70 m風塔的觀測資料，根據(jù)《風能資源技術(shù)評價規(guī)定》［5］，對南沙區(qū)的風能資源狀況進行評估，并分析了南沙區(qū)風能資源的特點。

1　相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1數(shù)據(jù)處理

選用位于南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)十七涌（22.68° N，113.64°E）的70 m風塔2008年所采集數(shù)據(jù)，包括10、20、40、60 m 4個高度的逐分鐘平均風速，計算后得到逐時平均風速。該風塔位于南沙區(qū)南端，所處位置地勢平坦，風塔附近G1017自動氣象站2008年平均風速為2.8 m/s，與南沙氣象探測基地2008—2012年年平均風速的5年平均值持平，因此該風塔2008年的數(shù)據(jù)在一定程度上能夠代表南沙區(qū)整體風環(huán)境情況。此外，2008年十七涌風塔有效數(shù)據(jù)完整率達到99.81%，超過中華人民共和國國家標準（GB/ T18710-2002）《風電場風能資源評估方法》規(guī)定的90%［6］，可以用于評估南沙區(qū)風能資源情況。有效數(shù)據(jù)完整率按下式計算：

1.2數(shù)據(jù)訂正

缺測數(shù)據(jù)的處理辦法：某時次部分數(shù)據(jù)缺失，利用風速垂直切變指數(shù)和同時次其他高度的風速計算缺失部分數(shù)據(jù)；某時次全部數(shù)據(jù)缺失，則該時段不納入計算。

不合理數(shù)據(jù)處理原則：若某時次出現(xiàn)部分風速數(shù)據(jù)不合理的情況時，如超過相關(guān)性檢驗和趨勢檢驗標準，同樣用風速垂直切變指數(shù)和同時次其他高度的風速計算缺失部分數(shù)據(jù)［7］。

風速垂直切變指數(shù)反映近地層風速的垂直變化，指數(shù)大小反映了隨高度增加風速增大的快慢，指數(shù)大表示隨高度增加風速增大快，風速梯度大；指數(shù)小表示隨高度增加風速增大慢，風速梯度?。?］。

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)。在中性大氣層結(jié)下，冪指數(shù)方程可以較好地描述風速的垂直廓線［9-10］。國家標準GB/T18710-2002《風電場風能資源評估方法》也推薦使用冪指數(shù)公式：

其中，v2為高度Z2處的風速（m/s）；v1為高度Z1處的風速（m/s）；α為風速垂直切變指數(shù)。

在沒有具體數(shù)據(jù)的情況下，一般認為風速垂直切變指數(shù)等于1/7［11］。考慮冬季邊界層對流不旺盛，地面風速穩(wěn)定［12］，本研究使用2008年12月22日南沙區(qū)受強冷空氣影響過程中的1 h（15：00）平均風速計算風塔所處位置的風速垂直切變指數(shù)，將求得的風速垂直切變指數(shù)代入公式（1），可將具體替換公式簡化為：v40m=1.147 8× v20m；v60m=1.249 3×v20m；v60m=1.088 4×v40m，用于處理缺測和不合理數(shù)據(jù)，其中v為各高度的風速。

2　計算方法

評估風電場的風能資源狀況，需要計算體現(xiàn)風能資源狀況的風能特征參數(shù)，風能特征參數(shù)主要包括平均風速、有效風速時數(shù)、風功率、平均風功率密度、有效風功率密度。

1）平均風速。計算公式為

2）有效風速時數(shù)。

風電機啟動需要克服摩擦等阻力影響，故不同風電機的啟動風速不完全相同，一般情況下小型風電機為3 m/s，大型風電機為4～5 m/s。當風速過大則需要停機，保護風電機免受損壞，該風速稱為“切斷風速”，切斷風速因各種機型的結(jié)構(gòu)和性能而不同，一般為20～30 m/s。介于啟動風速和切斷風速之間的風速則稱為“有效風速”，計算時段內(nèi)有效風速的累計小時數(shù)即是有效風速時數(shù)。本研究設(shè)定風電機的啟動風速為3.5 m/s、切斷風速為20.5 m/s，即有效風速區(qū)間為3.5～20.5 m/s。

3）風功率。在單位時間內(nèi)流過垂直于風速截面積的風能，即為風功率：其中P為風功率（W）；ρ為空氣密度（kg/m3）；v為風速（m/s）；S為截面積（m2）。風功率與風速的立方成正比，正確選擇風速是計算風能的關(guān)鍵參數(shù)。

4）風功率密度。風功率密度是單位時間內(nèi)垂直通過單位截面積的風功率（W/m2），是評價地區(qū)風能潛力和大小的重要物理量。用公式（3）可計算出單位時間內(nèi)各級風速下的風功率密度。再將計算時段內(nèi)各月各個等級風功率之和除以總時數(shù)，即可得到計算時段內(nèi)的平均風功率密度（W/m2）。

其中，vi為各等級風速區(qū)間內(nèi)的加權(quán)平均風速（m/s），其中v0到v21分別代表v≤0.5、0.520.5風速區(qū)間內(nèi)的加權(quán)平均風速（m/s）；Ni為相應(yīng)等級風速在計算時段內(nèi)出現(xiàn)的累計小時數(shù)（h）；N為計算時段內(nèi)總時數(shù)（h）；ρ為計算時段內(nèi)測站平均空氣密度（kg/m3），取決于計算時段內(nèi)的平均氣溫、平均氣壓、平均水汽壓，估算公式如下：

其中，ρ為空氣密度（kg/m）；t為平均氣溫（℃）；p為平均氣壓（hPa），e為平均水汽壓（hPa）。

有效風功率密度：采用與年平均風功率密度一致的方法計算，但選擇有效風速區(qū)間即介于3.5～20.5 m/s之間的風速數(shù)據(jù)進行計算。

3　風能資源分析

3.1平均風速

十七涌風塔各高度2008年平均風速：10 m為3.16 m/s、20 m為3.89 m/s、40 m為4.27 m/ s、60 m為4.60 m/s。顯示風速隨高度增加明顯加大，但增速隨高度增加遞減。

各高度逐月平均風速變化趨勢（圖1）較為一致，最大月平均風速均出現(xiàn)在8月，最小月平均風速除10 m以外均出現(xiàn)在3月，10 m高度則出現(xiàn)在12月。從各高度逐月平均風速變化曲線的形狀看，全年總體上存在3個風速波峰，分別是1、8、11月；2個波谷，分別是3和9月。

圖1　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年逐月平均風速變化曲線

3.2風速日變化

風塔各高度2008年的小時平均風速日變化曲線（圖2）顯示，各高度最小風速均出現(xiàn)在04：00—05：00；最大風速時段出現(xiàn)在16：00—19：00，且隨高度增大，最大風速出現(xiàn)時間不斷延后，呈現(xiàn)從低層向高層傳遞的特征?？傮w上，凌晨04：00—05：00風速最小，傍晚風速最大，白天風速大于夜間；早晨至傍晚風速呈增大趨勢，傍晚至次日早晨風速呈減小趨勢，風速變化的拐點出現(xiàn)在早晨前后。

圖2　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年小時平均風速日變化

3.3風速頻率

將風速以1 m/s為間隔劃定風速區(qū)間，統(tǒng)計年測風序列中每個風速區(qū)間內(nèi)風速出現(xiàn)的頻率。其中0代表風速v≤0.5 m/s，其余各風速區(qū)間的數(shù)字代表中間值，如4代表3.5

圖3顯示風塔各高度風速頻率都呈現(xiàn)相同的正偏態(tài)分布，曲線中部最高是峰值區(qū)，向兩側(cè)伸展曲線降低，右側(cè)向高風速區(qū)延伸。頻率曲線的偏度和峰度與平均風速有關(guān)，風速小的地區(qū)，曲線陡峭，峰值靠近零值，表明風速頻率集中在低值區(qū)，可利用風速出現(xiàn)時間少；風速大的地區(qū)，曲線較平緩，峰值向右推移，即曲線的峰度和偏度均減小，表明風頻分散，較大風速出現(xiàn)機會多，意味著可利用風速時間長，風能利用條件好。10、20、40、60 m各高度風速頻率曲線峰值對應(yīng)的風速逐漸增大，但分布曲線陡峭程度不一樣，60 m高度風速頻率曲線平緩、重心右移，對應(yīng)的較大風速多；10 m高度的曲線則陡峭，波峰靠左，對應(yīng)風速偏小，且分布集中，風速波動較小，40和20 m高度的曲線介于二者之間。

圖3　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年風速-頻率曲線

3.4風能資源參數(shù)

統(tǒng)計十七涌風塔2008年各高度小時平均風速介于3.5～20.5 m/s之間的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到風塔各高度2008年逐月有效風速時數(shù)（表1）。

表1　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年逐月有效風速時數(shù)h

表1顯示各高度有效風速時數(shù)均存在3個峰值區(qū)，即1—2、6—8、11月，最大值均出現(xiàn)在1月。而圖4顯示各高度逐月有效風功率密度變化曲線存在1、4、6、8、11月5個峰值區(qū)，與逐月有效風速時數(shù)變化趨勢總體上不完全一致。其中春秋季節(jié)的1、11月出現(xiàn)的峰值與逐月有效風速時數(shù)變化曲線一致，表明受冷空氣影響情況下，有效風功率密度大小與有效風速時數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系；夏季4、6、8月各高度有效風功率密度均明顯大于相鄰月份，而有效風速時數(shù)分布并無此特征。

圖4　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年逐月有效風功率密度變化曲線

2008年共有6個熱帶氣旋登陸或影響南沙區(qū)，分別出現(xiàn)在4（1個）、6（1個）、8（2個）、9（1個）和10月（1個）。取風塔20 m高度的數(shù)據(jù)進一步分析，分別統(tǒng)計計入和不計入熱帶氣旋影響時段情況下各月及全年的有效風功率密度（表2），得出2008年全年20 m高度上熱帶氣旋對有效風功率密度的貢獻率為17.8%，有熱帶氣旋影響月份熱帶氣旋對風功率密度平均貢獻率達到34.7%，其中9月份貢獻率最大，達到58.4%。

表2　南沙區(qū)十七涌風塔20 m高度2008年熱帶氣旋影響月份風功率密度W/m2

不計入熱帶氣旋影響時段的情況下，逐月有效風功率密度與逐月有效風速時數(shù)具有一致的變化趨勢（圖5）。因此，可以發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋對有效風功率密度的大小具有明顯影響，但對有效風速時數(shù)影響較小。

圖5　南沙區(qū)十七涌風塔各高度2008年逐月有效風速時數(shù)和不同條件下有效風功率密度對比曲線

通過計算2008年十七涌風塔各高度年有效風速時數(shù)、年平均和年有效風功率密度（表略），可以看出，風塔各高度年風速有效時數(shù)均在2 000 h以上，其中60 m高度有效時數(shù)超過5 000 h。

風功率密度及風速有效時數(shù)是衡量地區(qū)風能資源多寡的重要指標，根據(jù)《風能資源評價技術(shù)規(guī)定》［5］（表3），南沙區(qū)屬風能可利用區(qū)。

表3　10 m風塔風能區(qū)劃等級

4　結(jié)論

1）熱帶氣旋對有效風功率密度的大小具有明顯影響，但對有效風速時數(shù)影響較小，即由于熱帶氣旋影響時段平均風速較大，故在熱帶氣旋影響月份的有效風功率中熱帶氣旋權(quán)重較大，從而明顯影響有效風功率密度，但由于熱帶氣旋影響時間短，故對有效風速時間影響較小。

2）南沙區(qū)風能資源屬可利用區(qū)，不具備大型風電場并網(wǎng)發(fā)電的風能資源條件，但在當前能源供應(yīng)日益緊張的背景下，南沙區(qū)風能資源仍具備一定利用價值，可使用小型風力發(fā)電機對路燈、景觀、廣告牌等進行供電，也是城市開展節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的一種有效措施。

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A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.015

2015-11-10

趙小偉（1983年生），男，工程師，學士，主要從事天氣預(yù)報工作。E-mail：513206886@qq.com