兩個(gè)新參數(shù)在云南山地風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估中的適用性分析

金燕 王學(xué)鋒 范立張

（云南省氣候中心，昆明 650034）

0 引言

風(fēng)能資源評(píng)估主要包括點(diǎn)評(píng)估和區(qū)域評(píng)估，前者是指利用測風(fēng)塔（站）觀測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)風(fēng)能資源各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行直接計(jì)算評(píng)估；后者針對(duì)區(qū)域，主要依賴大氣數(shù)值模擬技術(shù)，即基于大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基本原理來描述近地層大氣的運(yùn)動(dòng)過程以及地形、地貌對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響[1]。

隨著風(fēng)能資源開發(fā)利用的快速推進(jìn)，區(qū)域風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)得到了迅速發(fā)展[2-4]，風(fēng)電場風(fēng)能資源數(shù)值模擬技術(shù)由一些商業(yè)軟件提供技術(shù)支持[5-6]。而在風(fēng)電場工程的風(fēng)能資源評(píng)估中，基礎(chǔ)參數(shù)的選擇主要還是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[7]，其對(duì)風(fēng)能資源的能量指標(biāo)評(píng)判主要參數(shù)是實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)功率密度。楊振斌等[8]考慮到空氣密度、風(fēng)速頻率分布是影響風(fēng)能大小的兩個(gè)重要因子，提出了相當(dāng)風(fēng)速、有功風(fēng)功率密度兩個(gè)新參數(shù)，旨在為準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)價(jià)提供更恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行了試驗(yàn)性分析。

由于云南風(fēng)電場位于山地[9]，風(fēng)能資源分布極為復(fù)雜，一些新技術(shù)和新方法在投入應(yīng)用時(shí)，相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行了一些探索，例如在風(fēng)電場選址方法[10]、針對(duì)區(qū)域風(fēng)能資源模擬[11]、對(duì)山地風(fēng)電場風(fēng)能資源模擬軟件的驗(yàn)證[12]等，都做了一些工作。但對(duì)于基礎(chǔ)參數(shù)，相當(dāng)風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度兩個(gè)新參數(shù)是否適用，需要進(jìn)行探索和試驗(yàn)研究。因此，以云南山地風(fēng)電場測風(fēng)塔觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)兩個(gè)新參數(shù)與實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)功率密度進(jìn)行對(duì)比分析，以探索其在山地風(fēng)電場中的適用性，為山地風(fēng)電場風(fēng)資源評(píng)價(jià)提供更有意義的參考依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 資料

本文選取位于云南東部典型山地、丘陵地帶的楊梅山風(fēng)電場兩個(gè)觀測年限較長、資料相對(duì)完整的測風(fēng)塔風(fēng)速觀測資料作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，測風(fēng)塔基本情況見表1。

表1 測風(fēng)塔基本情況Table 1 Basic information about the wind towers

觀測設(shè)備采用NRG系統(tǒng)，觀測參數(shù)及取樣情況見表2，由于風(fēng)機(jī)輪轂高度距離地面均在60 m以上，本文選取65 m高度逐10 min平均風(fēng)速作為風(fēng)速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2 研究數(shù)據(jù)基本情況Table 2 Basic information about the research data

針對(duì)風(fēng)速、氣溫和氣壓資料的完整性檢驗(yàn)、關(guān)系檢驗(yàn)及缺測數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)插補(bǔ)相關(guān)要求進(jìn)行。

1.2 計(jì)算方法

根據(jù)楊振斌等[8]提出的既兼顧空氣密度又考慮風(fēng)速頻率分布的風(fēng)能資源豐歉的直觀判斷參數(shù)相當(dāng)風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度的計(jì)算公式，對(duì)2011年1月1日—2013年12月31日間的兩個(gè)風(fēng)速儀所記錄的逐10 min平均風(fēng)速，計(jì)算相當(dāng)風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度，計(jì)算公式分別為：

式中，Vi(i=1,…, n)為實(shí)測風(fēng)速，就本文而言，即風(fēng)速儀所記錄的逐10 min平均風(fēng)速。

式中，v1為啟動(dòng)風(fēng)速； v2為切出風(fēng)速；p(v)為風(fēng)速概率分布密度函數(shù)，不同型號(hào)風(fēng)機(jī)都具有各自的“啟動(dòng)風(fēng)速”，“切出風(fēng)速”（切出風(fēng)速指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的最大風(fēng)速，超過此風(fēng)速機(jī)組將切出電網(wǎng)，就是風(fēng)機(jī)會(huì)停機(jī)，停止發(fā)電），只有處于這兩個(gè)風(fēng)速區(qū)間的能量才能被風(fēng)機(jī)部分地轉(zhuǎn)換為電能，所以常常將“啟動(dòng)風(fēng)速”和“切出風(fēng)速”之間的風(fēng)速稱為“有效風(fēng)速”。為不失一般性，本文“啟動(dòng)風(fēng)速”和“切出風(fēng)速”分別取3.5和25.4 m/s。

2 平均風(fēng)速與相當(dāng)風(fēng)速的對(duì)比分析

2.1 風(fēng)速年變化

圖1給出了1#和2#測風(fēng)塔65 m高度實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve年變化，從逐日的實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve來看，兩個(gè)序列的相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。由圖可知，兩個(gè)測風(fēng)塔65 m高度風(fēng)速和相當(dāng)風(fēng)速在一年中的變化趨勢一致，1—5月較大，7—9月較小，均呈現(xiàn)出明顯的冬春季大、夏秋季小的全年兩季風(fēng)特征，這與云南其他山地風(fēng)電場風(fēng)速年變化特征一致。

圖1 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve年變化Fig. 1 The annual change of Vre and Ve about tower No.1 (a)and No. 2 (b)

進(jìn)一步分析兩個(gè)觀測點(diǎn)年均逐日實(shí)測風(fēng)速與相當(dāng)風(fēng)速之間的差值變化。從圖2可知兩者之間的差值在年內(nèi)呈現(xiàn)冬春季偏大，夏秋季偏小的特征，與風(fēng)速的年變化規(guī)律一致。

圖2 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve差值年變化Fig.2 Annual changes in the differences in Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

云南山地風(fēng)場的海拔一般均在2000 m以上，年平均氣溫不高于12 ℃，根據(jù)平均空氣密度公式推算得出兩個(gè)測風(fēng)塔空氣密度大致在0.90附近，由此分析也可以印證相當(dāng)風(fēng)速小于實(shí)測風(fēng)速。

從表3可以看出，1#和2#測風(fēng)塔在觀測時(shí)段內(nèi)年平均實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve差值分別為1.7和1.9 m·s-1，兩個(gè)變量間的差值季節(jié)性變化較為一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

表3 1#測風(fēng)塔和2#測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve差值季節(jié)變化（單位：m·s-1）Table 3 Seasonal variation in the differences between Vre and Ve for towers No. 1 (a) and No. 2 (b) (unit: m·s-1)

由于相當(dāng)風(fēng)速是從能量的角度出發(fā)來闡述風(fēng)速對(duì)風(fēng)能大小影響的一個(gè)量綱的參量，在某種意義上已經(jīng)擯棄了不做功的小風(fēng)速和大風(fēng)速，在年變化上相對(duì)平穩(wěn)。平均風(fēng)速在大風(fēng)季偏大，小風(fēng)季偏小，所以導(dǎo)致兩者的差值在年變化中呈現(xiàn)與平均風(fēng)速相同的變化趨勢。

同時(shí)，考慮到相當(dāng)風(fēng)速是將某一平均風(fēng)速系列，折算到標(biāo)準(zhǔn)大氣下，服從瑞利分布的且具有相同能量的量綱參量，這樣就使得在不同下墊面、不同海拔條件下風(fēng)電場風(fēng)能資源的比較成為了可能，這才是在風(fēng)能資源評(píng)估中運(yùn)用相當(dāng)風(fēng)速概念的真正價(jià)值所在。

2.2 風(fēng)速頻率

圖3為兩個(gè)觀測點(diǎn)平均風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve的風(fēng)速頻率分布。由圖可見實(shí)測風(fēng)速較相當(dāng)風(fēng)速更趨向于正態(tài)分布，相當(dāng)風(fēng)速的風(fēng)頻在小風(fēng)速段所占比例較高，同時(shí)大風(fēng)速段所占比例減小。結(jié)合相當(dāng)風(fēng)速推導(dǎo)公式來看，相當(dāng)風(fēng)速是折算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的實(shí)際用來做功的那部分風(fēng)速，同時(shí)還考慮了空氣密度這一物理量。由于山地風(fēng)電場多數(shù)建在山地高處，空氣受到地形的抬升與擠壓作用，在山脊處的風(fēng)速明顯高于山腳處，同時(shí)考慮空氣密度隨海拔的直減率，在山地高海拔地區(qū)空氣密度明顯低于平原。如果僅用實(shí)測風(fēng)速來衡量做功的大小，則與實(shí)際做功之間勢必會(huì)存在較大偏差，而選用相當(dāng)風(fēng)速來代替實(shí)測風(fēng)速對(duì)山地風(fēng)電場進(jìn)行資源評(píng)估，則能避免這一偏差的出現(xiàn)，能量指標(biāo)更趨于實(shí)際，也更直觀。這也從側(cè)面印證了相當(dāng)風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值存在大風(fēng)季大，小風(fēng)季小的變化特征。

圖3 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）實(shí)測風(fēng)速Vre與相當(dāng)風(fēng)速Ve風(fēng)速頻率分布Fig. 3 The wind speed frequency distribution of Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

3 平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度對(duì)比

圖4為兩個(gè)觀測點(diǎn)平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度的年均逐日分布圖，從逐日的平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We來看，兩個(gè)序列的相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。由圖可知平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度全年的變化規(guī)律較為一致，即12月—次年4月風(fēng)功率密度偏大，6—10月風(fēng)功率密度偏小。

圖4 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We年變化Fig. 4 Annual changes in W and We from towers No. 1 (a)and No. 2 (b)

從兩者的差值變化來看（圖5），兩個(gè)觀測點(diǎn)的有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小，全年中，冬春季節(jié)兩者的差值偏小，夏秋季差值偏大，與風(fēng)速差值的年變化規(guī)律剛好相反。從公式來看，平均風(fēng)功率密度為平均風(fēng)速在整個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所做的貢獻(xiàn)，而有功風(fēng)功率密度是有效風(fēng)速在整個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所做的貢獻(xiàn)，所以有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小。從兩者的差值來看，由于云南在冬春季風(fēng)速偏大，風(fēng)機(jī)處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對(duì)平均風(fēng)能密度的直接貢獻(xiàn)就大，所以兩者的差值偏??；而在夏秋季風(fēng)速普遍偏小，風(fēng)機(jī)處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對(duì)平均風(fēng)能密度的直接貢獻(xiàn)就小，所以兩者的差值偏大。

圖5 1#測風(fēng)塔（a）和2#測風(fēng)塔（b）平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We差值年變化Fig. 5 Annual change in the difference of W and We from tower No. 1 (a) and No. 2 (b)

從表4可以看出，1#和2#測風(fēng)塔在觀測時(shí)段內(nèi)年平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We分別為1.6和1.2 W·m-2，兩個(gè)變量間的差值季節(jié)性變化較為一致，即在夏秋季差值偏大，一般在2.0～3.0 W·m-2，在冬春季差值偏小，一般小于 1.0 W·m-2。

表4 1#測風(fēng)塔和2#測風(fēng)塔實(shí)平均風(fēng)功率密度W與有功風(fēng)功率密度We差值季節(jié)變化（單位：W·m-2）Table 4 The seasonal variation in the difference of W and We for towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

4 結(jié)論

1）風(fēng)速和相當(dāng)風(fēng)速的年內(nèi)變化一致，即冬春季大，夏秋季小；相當(dāng)風(fēng)速較實(shí)測風(fēng)速偏小，兩者之間的差值在年內(nèi)變化與風(fēng)速變化規(guī)律也基本一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

2）從風(fēng)速頻率分布來看，相當(dāng)風(fēng)速分布更為集中，摒棄了實(shí)測風(fēng)速對(duì)風(fēng)能不實(shí)際做功的部分，讓能量指標(biāo)更趨于實(shí)際，也更客觀準(zhǔn)確。

3）平均風(fēng)功率密度與有功風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化一致，即冬春季大，夏秋季小；有功風(fēng)功率密度較平均風(fēng)功率密度偏小，兩者之間的差值在全年中呈現(xiàn)冬春季偏小，夏秋季偏大的特征，即夏秋季差值一般在2.0～3.0 W·m-2，冬春季差值一般小于1.0 W·m-2，這主要由于云南在冬春季風(fēng)速偏大，風(fēng)機(jī)處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對(duì)平均風(fēng)能密度的直接貢獻(xiàn)就大，所以兩者的差值偏?。欢谙那锛撅L(fēng)速普遍偏小，風(fēng)機(jī)處于有效風(fēng)力范圍內(nèi)對(duì)平均風(fēng)能密度的直接貢獻(xiàn)就小，所以兩者的差值偏大。

4）綜合分析表明，對(duì)于云南山地風(fēng)電場而言，相當(dāng)風(fēng)速和有功風(fēng)功率密度對(duì)于風(fēng)能資源的表征較實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)功率密度更接近資源的實(shí)際，使得在不同下墊面、不同海拔條件下風(fēng)電場的風(fēng)能資源的簡單比較成為了可能，作為一種資源評(píng)價(jià)指標(biāo)加以應(yīng)用是有實(shí)際意義的。