長三角嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估

孔 莉 洪崇杰 樂 平 仇中柱＊ 王亞霖 魏麗東

1.上海市嘉定區(qū)氣象局

2.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

3.上海虹橋商務(wù)區(qū)能源服務(wù)有限公司

4.上海博陽新能源科技股份有限公司研究院

0 引言

2019年5 月，習(xí)近平總書記主持召開中央政治局會(huì)議，審議《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》。長三角經(jīng)濟(jì)總量約占全國的四分之一，年研發(fā)經(jīng)費(fèi)支出和有效發(fā)明專利數(shù)約占全國三分之一，進(jìn)出口總額、外商直接投資、對(duì)外投資約占全國三分之一。目前，以上海為中心的江浙滬一些毗鄰的地區(qū)，主要包括嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)、青浦吳江嘉善毗鄰區(qū)等五個(gè)地區(qū)。這五個(gè)毗鄰區(qū)的區(qū)位、交通、產(chǎn)業(yè)、人文等方面聯(lián)系日趨緊密，可以說都是“長三角一體化發(fā)展示范區(qū)”的預(yù)備隊(duì)或有力競爭者。嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)將依托國家戰(zhàn)略，推進(jìn)能源電力等基礎(chǔ)設(shè)施、科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)協(xié)同、生態(tài)環(huán)境、市場體系等合作項(xiàng)目建設(shè)。嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)主要由上海嘉定區(qū)、江蘇蘇州昆山市、江蘇蘇州太倉市組成。行政區(qū)域面積為2 205.64 km2。目前區(qū)域常住人口為394.86 萬人，戶籍人口為197.93萬人，人口密度為1 790人/km2，經(jīng)濟(jì)總量6 191.32億元。嘉定是上海和江蘇地理最近、合作最早、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)力較強(qiáng)的行政區(qū)。安亭、花橋在長三角各城鎮(zhèn)中率先實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展已具備良好基礎(chǔ)。目前，三地已著手聯(lián)合打造“嘉昆太協(xié)同創(chuàng)新核心圈”等。可再生能源的高效利用將是嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及保持生態(tài)環(huán)境國際水平的重要保障。

眾所周知，風(fēng)力發(fā)電狀況直接影響我國風(fēng)力發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要影響因素[2]。風(fēng)能發(fā)電資源的合理評(píng)估利用是我國建設(shè)大型風(fēng)電場取得成敗的關(guān)鍵所在[3]。隨著大型風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，根據(jù)國內(nèi)外大型商用風(fēng)電場的研究開發(fā)以及建設(shè)利用經(jīng)驗(yàn)，為有效保證大型風(fēng)力發(fā)電建設(shè)機(jī)組的高風(fēng)能效率穩(wěn)定正常運(yùn)行，達(dá)到資源預(yù)期利用目的，風(fēng)電場建設(shè)場址必須完全具備并擁有較豐富的大型風(fēng)能發(fā)電資源[4]。由此，對(duì)大型風(fēng)能和水資源開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地勘測(cè)和科學(xué)研究工作是在啟動(dòng)大型風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目前必須認(rèn)真規(guī)劃完成的一項(xiàng)工作。

1 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取

本文中的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)是由上海市嘉定區(qū)國家一般氣象站提供，主要包括近五年時(shí)間內(nèi)逐時(shí)風(fēng)力（風(fēng)速、風(fēng)向）統(tǒng)計(jì)資料。氣象站的基本信息見表1。采集到的風(fēng)向分成16 個(gè)方向，風(fēng)速精確到0.1 m/s。

2 風(fēng)資源評(píng)估的幾個(gè)主要指標(biāo)因素及計(jì)算方法

對(duì)某一大型地區(qū)場所進(jìn)行大型風(fēng)能綜合資源利用評(píng)估，是為整個(gè)風(fēng)電場所的建設(shè)項(xiàng)目前期所必須進(jìn)行的重要評(píng)估工作。我國風(fēng)能系統(tǒng)資源利用評(píng)估時(shí)需要綜合考慮的幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)及影響因素:平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度、風(fēng)向頻率、風(fēng)速頻率、年風(fēng)能可利用時(shí)間[5]。

表1 嘉定國家一般氣象站基本信息

2.1 風(fēng)速換算公式

從理論上而言，風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律與底部的墊面性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐拇髿鈱咏Y(jié)等因素有關(guān)，根據(jù)氣象學(xué)知識(shí)，可采用指數(shù)率和對(duì)數(shù)率公式進(jìn)行計(jì)算[6]。根據(jù)上海市沿海若干個(gè)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，證明指數(shù)率公式更適合長三角地區(qū)風(fēng)速隨高度變化的計(jì)算要求。風(fēng)速隨高度換算的指數(shù)率公式可表示為[7]：

2.2 平均風(fēng)速

2.3 風(fēng)功率密度計(jì)算

風(fēng)功率密度的定義是通過單位橫截面積上的風(fēng)所含的能量，國際單位制以W/m2表示。風(fēng)功率密度是表征風(fēng)攜帶能量大小的重要因素。風(fēng)功率密度和空氣密度的大小呈正比關(guān)系，而空氣密度則取決于自身的氣壓和熱力學(xué)溫度[8]。因此，不同地點(diǎn)、不同季節(jié)、不同溫度條件下的風(fēng)功率密度是不同的。一般而言，海邊山區(qū)海拔低，大氣壓力高,空氣密度大。高山地區(qū)海拔高，大氣壓力低，空氣的密度小。但是，如果在高山地區(qū)風(fēng)速大,氣溫低，仍然有機(jī)會(huì)保持有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)資源開發(fā)潛力。因此,空氣的密度大，風(fēng)力也大，則大規(guī)模風(fēng)能利用潛力最好[9]。

某地的風(fēng)能發(fā)電資源利用狀況主要是由當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩砦恢?、季?jié)、地形等氣候、環(huán)境特點(diǎn)等所決定。目前通常廣泛采用的兩種評(píng)價(jià)我國風(fēng)能資源綜合利用潛力的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)速時(shí)數(shù)。有效風(fēng)速一般是指3 m/s～20 m/s區(qū)間的風(fēng)速，有效風(fēng)功率密度是根據(jù)有效風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速所計(jì)算的風(fēng)功率密度。

風(fēng)功率密度的計(jì)算公式如式（3）[10]

在僅知道當(dāng)?shù)睾０胃叨鹊那闆r下，計(jì)算平均空氣密度的公式如式（4）[7]：

3 風(fēng)能資源評(píng)估

3.1 原始風(fēng)速

近5年原始風(fēng)速數(shù)據(jù)見圖1。

3.2 平均風(fēng)速

利用公式（1）和（2）計(jì)算了距地面10.5 m 高和90 m高度處的近5年的年平均風(fēng)速，近5年90 m高度處的月平均風(fēng)速見表2和表3。

圖1 10.5 m高度原始風(fēng)速數(shù)據(jù)

表2 年平均風(fēng)速

表3 90 m高度月平均風(fēng)速

長三角嘉定昆山太倉毗鄰區(qū)近五年逐年各月的平均風(fēng)速見圖2。從圖2 中可見，毗鄰區(qū)90 m高度的平均風(fēng)速，主要分布在 2.5～4.5 m/s 之間，同年各月的風(fēng)速差異較大，春季和夏季的風(fēng)速略高。90 m 高度年平均風(fēng)速為3.335 m/s。全年三、四、五月份的風(fēng)速相比其他月份較高，其中三月份高達(dá)3.7 m/s，十一月和十二月風(fēng)速較小，低于年平均風(fēng)速，其中十一月份的平均風(fēng)速低于有效風(fēng)速。

圖2 90 m高度五年逐月平均風(fēng)速

3.3 風(fēng)向頻率

風(fēng)向原始觀測(cè)數(shù)據(jù)是用0～360°角度制來表示風(fēng)向，風(fēng)向符號(hào)和風(fēng)向度數(shù)對(duì)照見表4。將在一定角度范圍內(nèi)的度數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的風(fēng)向符號(hào)。在分析處理風(fēng)向原始數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)僅少數(shù)典型風(fēng)向統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有缺失,在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算風(fēng)向缺失頻數(shù)和分析計(jì)算缺失概率時(shí)將這些數(shù)據(jù)缺失作為風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)暫不完全計(jì)入在內(nèi)。根據(jù)歷年風(fēng)向方位觀測(cè)數(shù)據(jù)資料,按16個(gè)風(fēng)向方位分別統(tǒng)計(jì)風(fēng)向觀測(cè)各個(gè)時(shí)段內(nèi)(年、月)各時(shí)段風(fēng)向觀測(cè)出現(xiàn)的時(shí)間小時(shí)數(shù),除以總的風(fēng)向觀測(cè)時(shí)間小時(shí)數(shù)即為各時(shí)段風(fēng)向出現(xiàn)頻率[6]。

表4 風(fēng)向符號(hào)和風(fēng)向度數(shù)對(duì)照表

16 個(gè)風(fēng)向的頻率分布玫瑰圖見圖3。從圖3中可知，南東南方向SSE和東東北方向ENE的風(fēng)頻率較大，東東北方向風(fēng)向頻率高達(dá)12%，因此，可認(rèn)為東東北方向即ENE為主導(dǎo)風(fēng)方向。

圖3 90 m 高度年平均風(fēng)向頻率/（%）

3.4 風(fēng)速頻率

以1 m/s 為一個(gè)觀測(cè)風(fēng)速梯度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)了幾個(gè)年度觀測(cè)風(fēng)速圖序列中每個(gè)不同風(fēng)速梯度區(qū)間內(nèi)不同風(fēng)速測(cè)量值出現(xiàn)的不同頻率。每個(gè)風(fēng)速強(qiáng)度區(qū)間的一個(gè)數(shù)字分別代表中間的數(shù)值[11]。

圖4 表示90 m 高度近五年風(fēng)速區(qū)間的頻率分 布 。 從 圖 中 可 以 看 出, 2.5～3.5 m/s 的 風(fēng) 速年分布最大，占到總比例的20%以上。其次是2 m/s。同時(shí)與3 m/s 相鄰風(fēng)速區(qū)間內(nèi)是風(fēng)速分布最為集中的區(qū)間。對(duì)于12 m/s 以上的風(fēng)在近五年的時(shí)段內(nèi)中發(fā)生次數(shù)較少。因此90 m高度主要能利用的是3～12 m/s風(fēng)速的風(fēng)力資源。

圖4 90 m高度全年風(fēng)速頻率

3.5 有效風(fēng)時(shí)數(shù)

不同高度風(fēng)速在3 ～20 m/s之間的累計(jì)小時(shí)數(shù)見表5 所示，由表5 可見，90 m 高度年風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)為4 640 h。

表5 不同高度年有效小時(shí)數(shù)

3.6 風(fēng)功率密度

評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的風(fēng)能資源狀況的重要指標(biāo)是有效風(fēng)時(shí)數(shù)和風(fēng)功率密度[12]。其中風(fēng)功率密度又可以分為平均風(fēng)功率密度和有效風(fēng)功率密度，平均風(fēng)功率密度值是根據(jù)五年間所有平均風(fēng)速密度對(duì)應(yīng)的所有功率測(cè)量密度進(jìn)行計(jì)算時(shí)所得到的風(fēng)平均值，而有效風(fēng)功率密度值是在有效風(fēng)速區(qū)段3～20 m/s 速度范圍內(nèi)計(jì)算求得的風(fēng)功率密度的平均值。兩者計(jì)算如式（5）和式（6）[13]。

將數(shù)據(jù)處理結(jié)果中的有效風(fēng)速以1 m/s進(jìn)行劃分，即3.5～4.5 m/s，4.5～5.5 m/s，……最后區(qū)間劃分到14.5～15.5 m/s。各個(gè)區(qū)間的平均風(fēng)速經(jīng)計(jì)算后如圖5所示。

圖5 90m高度各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的平均風(fēng)速

利用公式可以分別求得10.5 m處和90 m處的年平均風(fēng)功率密度和年有效風(fēng)功率密度，見表6。

表7 是風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，該表根據(jù)利用年有效風(fēng)能密度并利用年平均風(fēng)速不小于3 m/s 的大風(fēng)的持續(xù)累積利用小時(shí)數(shù)將全國風(fēng)能區(qū)分為4 個(gè)區(qū)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果90 m高度的年平均風(fēng)功率密度和年有效風(fēng)功率密度均處于“風(fēng)能可利用區(qū)”的范圍內(nèi)，分別為 50.07 W/m2和 89.95 W/m2（考慮到風(fēng)速換算公式中風(fēng)切變系數(shù)取值為0.19，90 m 處風(fēng)速可能會(huì)與實(shí)際結(jié)果存在一定偏差），但是90 m處風(fēng)能年有效小時(shí)數(shù)高達(dá)4 640 h，按照標(biāo)準(zhǔn)表屬于較為豐富區(qū)。

表6 10.5 m和90 m高度處風(fēng)能密度

表7 風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

對(duì)長三角嘉昆太毗鄰區(qū)近5 年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的有效風(fēng)功率密度為89.95 W/m2，按照風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)處于風(fēng)能可利用區(qū)；年有效風(fēng)力時(shí)數(shù)為4 640 h，按照風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)處于風(fēng)能較豐富區(qū)，說明該地區(qū)的風(fēng)能資源處于較豐富區(qū)和可利用區(qū)之間。ENE（東東北方向）和SSE（南東南）為該地區(qū)全年出現(xiàn)頻率最高的兩個(gè)風(fēng)向，在風(fēng)電場址和風(fēng)力發(fā)電機(jī)布置時(shí)應(yīng)根據(jù)兩個(gè)主要風(fēng)向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文中風(fēng)速隨高度的規(guī)律根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定了指數(shù)公式，指數(shù)也基于長三角嘉昆太毗鄰區(qū)的地貌特征結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取值0.19，尚有一定的不確定性，可作為預(yù)可行性研究。建議在本文分析的基礎(chǔ)上，后續(xù)需要建立測(cè)風(fēng)塔，實(shí)測(cè)至少1個(gè)完整年度的風(fēng)力資料，根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)能數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的可行性。