西藏拉薩低風(fēng)速區(qū)風(fēng)能資源觀測及評估*

李志

（西藏自然科學(xué)博物館，西藏 拉薩 850000）

0 引言

中國“碳達峰、碳中和”發(fā)展目標(biāo)的提出，促使我國走向綠色發(fā)展的道路。風(fēng)力發(fā)電作為極具技術(shù)和經(jīng)濟競爭力的能源生產(chǎn)方式，是支撐我國綠色低碳發(fā)展的重要途徑之一。近年來中國風(fēng)電行業(yè)實現(xiàn)高速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機容量的增加、裝機規(guī)模的不斷擴大，使其成為我國可再生能源發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但是國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展時間相對較短，距離發(fā)達國家技術(shù)水平仍有一定差距。

西藏作為地球第三極的重要組成部分，整體風(fēng)能資源豐富。受特殊地形、地貌等高原環(huán)境的影響，西藏地區(qū)形成了兩條風(fēng)帶，一條位于喜馬拉雅山脈與岡底斯山脈之間的山谷地帶東段；另一條位于藏北高原地區(qū)，大致沿安多—獅泉河公路一線。除藏中和藏東地區(qū)，由于受周圍高山遮擋，難以被高空西風(fēng)氣流光顧，風(fēng)能資源較較貧乏外，大部分地區(qū)屬可利用區(qū)和較豐富區(qū)（如圖所示）［1］。

圖1 西藏風(fēng)能分布圖

雖然風(fēng)能資源豐富，但受到地理環(huán)境、氣候因素、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)等限制因素，目前，西藏地區(qū)風(fēng)能開發(fā)利用少，僅有位于那曲市那曲鎮(zhèn)國電龍源那曲高海拔實驗風(fēng)電場及位于山南市措美縣哲古鎮(zhèn)哲古風(fēng)電場等大型裝機容量大的發(fā)電廠。

拉薩市作為西藏的首府，在積極踐行國家所倡導(dǎo)的綠色發(fā)展，最典型的是通過拉薩南北山綠化的建設(shè)，以加強生態(tài)保護。作為風(fēng)能資源豐富地區(qū)，拉薩市除了采用綠化建設(shè)的方式外，還可通過利用風(fēng)能開發(fā)以踐行綠色發(fā)展。但經(jīng)各處調(diào)研及閱讀文獻，發(fā)現(xiàn)西藏拉薩風(fēng)能利用不多，前人對拉薩風(fēng)能資源的調(diào)查研究關(guān)注度較少，特別是低風(fēng)速（3m/s～7m/s）風(fēng)能利用尚未開發(fā)。

本研究基于風(fēng)能評估方法和原理，對拉薩低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能資源進行觀測評估及初步探究，其目的是為拉薩市低風(fēng)速區(qū)風(fēng)能資源觀測與評估等相關(guān)研究提供參考，并為當(dāng)?shù)卣疀Q策部門制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和保護能源經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境變化影響的措施提供科學(xué)支持。

1 風(fēng)能監(jiān)測

1.1 風(fēng)能資源觀測方法

風(fēng)能資源觀測與評估是制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和實施風(fēng)電場工程項目建設(shè)的重要基礎(chǔ)，風(fēng)能資源的評估的參數(shù)主要包括風(fēng)能的空氣密度［2］、風(fēng)能密度變化趨勢、風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度及其風(fēng)能頻率分布［3］和風(fēng)向等。其中，空氣密度直接影響風(fēng)能的大小，在同等風(fēng)速條件下,空氣密度越大風(fēng)能越大。風(fēng)能密度［4］是風(fēng)力發(fā)電機組有效的利用風(fēng)速范圍，風(fēng)能率密度等級越高，風(fēng)力發(fā)電的效率越好。風(fēng)速的大小直接關(guān)系區(qū)域是否蘊藏著風(fēng)能資源，目前風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)速最低啟動速度為2.5m/s，風(fēng)速長期穩(wěn)定在一個區(qū)間，那就說明這個區(qū)域適合風(fēng)能開發(fā)。風(fēng)的方向與風(fēng)力發(fā)電機的葉片垂直才能驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機組運行，風(fēng)向占比偏向較大，這樣就選擇水平軸風(fēng)力發(fā)電機更有效利用風(fēng)能，風(fēng)向占比偏向較小，這樣就選擇垂直軸風(fēng)力發(fā)電機更有效利用風(fēng)能。

本研究的風(fēng)能觀測點設(shè)置在西藏拉薩市西藏自然科學(xué)博物館內(nèi)，共建立2座塔架6米高的測風(fēng)塔（#1經(jīng)度：91.181°E，緯度：29.649°N，海拔3668m，塔架上安裝風(fēng)力發(fā)電機組為垂直軸;#2經(jīng)度：91.185°E，緯度：29.648°N,海拔3679m，塔架上安裝風(fēng)力發(fā)電機組為水平軸），四周無高大建筑物。符合“為確保測量風(fēng)能資源準(zhǔn)確性，測風(fēng)塔安裝正確性，安裝的地理位置盡量避開建筑物的遮擋”這一條件，具有代表性。

測風(fēng)塔位于拉薩市東郊，處于拉薩河谷地帶，氣候?qū)儆诟咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，干濕季節(jié)突出，紫外線輻射強，日照時間長，年日照可達3000小時以上。晝夜溫差大，一般情況一年中夏季6月平均溫度最高，1 月平均溫度最低。境內(nèi)天氣干燥，冬春季節(jié)降雨較少，主要集中降雨是6月至9月份，多夜雨。

圖1 測風(fēng)塔分布圖

測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)的觀測和采集內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、氣溫和氣壓等重要的實時參數(shù)，其中風(fēng)速觀測采集時間間隔為1 秒鐘，主控系統(tǒng)自動整理計算和記錄每10 分鐘內(nèi)不間斷采集的瞬時風(fēng)速得到平均風(fēng)速和每10分鐘的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差值；極大風(fēng)速為每3秒鐘采集一次的風(fēng)速最大值，每10 分鐘自動記錄；風(fēng)向觀測采集時間間隔為2 秒鐘，主控系統(tǒng)自動整理計算和記錄每10分鐘的風(fēng)向值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過對監(jiān)測系統(tǒng)和和數(shù)據(jù)收集獲得運行數(shù)據(jù)和日志信息，根據(jù)測風(fēng)塔風(fēng)況的實時風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，對兩座風(fēng)電機組的日常運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，制作數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖，可以更加直觀清楚的了解該區(qū)域的風(fēng)能富集程度。

1.2 風(fēng)能資源觀測數(shù)據(jù)

1.2.1 空氣密度。根據(jù)館里測風(fēng)塔機艙頂部上安裝的氣壓計、氣溫計、濕度計實測數(shù)據(jù)和空氣密度計算公式，計算日平均氣壓和日平均氣溫，最后統(tǒng)計計算出拉薩市12 月份至次年2 月冬季月空氣密度均值約為0.909kg/m3～0.886kg/m3之間，在全年氣溫最低的一月份空氣密度最大。由于空氣熱脹冷縮的原理，隨著季節(jié)的變化，溫度升高，春夏季空氣密度逐漸減小，六月份空氣密度最小。

空氣密度的計算公式如下：

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)；P 為氣壓(hPa)；t為氣溫(℃)；e為水汽壓（hpa）；

拉薩市海拔約為3650m 左右，和內(nèi)地其它地區(qū)相比，海拔屬于高海拔類型，空氣較為稀薄，氣壓小，溫度變化大，空氣濕度小，導(dǎo)致空氣密度也會變的非常低，年平均空氣密度為0.81kg/m3之間。

由于西藏拉薩大部分區(qū)域地表面覆蓋的植被主要以矮小的灌叢草甸或者是裸露地表面，稀少光禿的地表面吸熱能力嚴(yán)重喪失，熱量大部分用于地表面空氣的加熱，當(dāng)下層空氣不斷加熱超過上層空氣流動，這樣導(dǎo)致垂直方向的空氣密度隨著高度的升高，空氣密度減小，這種現(xiàn)象在溫度較高的夏季更加明顯，進一步說明近地表面的空氣密度更適合風(fēng)力機組運行。

1.2.2 風(fēng)能密度。根據(jù)測風(fēng)塔機艙頂部風(fēng)速儀測得的風(fēng)速，控制系統(tǒng)采集傳輸風(fēng)速儀的風(fēng)速數(shù)據(jù)，由于兩個測風(fēng)塔各項數(shù)值存在差異，算出平均值，計算出一天中最大風(fēng)速和最小風(fēng)速，利用公式（1）空氣密度，計算出風(fēng)能密度。例如：3月10日，最大風(fēng)速10.7m/s，風(fēng)能密度最大值約達到536W/m2，最小風(fēng)速2.2m/s，風(fēng)能密度最小值約達到4.5W/m2。

式中:W為風(fēng)能密度（W/m2）;V為風(fēng)速（m/s）;ρ為空氣密度（kg/m3）。

從上式可以推出，風(fēng)能密度不僅和風(fēng)速相關(guān)，還和空氣密度緊密相連。為了本研究更加客觀和精確，采集的數(shù)據(jù)都是日統(tǒng)計和記錄。從日風(fēng)能密度趨勢可以看出，拉薩低風(fēng)速區(qū)風(fēng)能密度還是較為豐富的，從風(fēng)力開發(fā)的角度，風(fēng)能密度大于200W/m2時間還是較長的，說明該地區(qū)的風(fēng)能密度還是比較豐富的。

1.2.3 風(fēng)速變化。通過對兩座測風(fēng)塔3 月份每天最大風(fēng)速測得結(jié)果的取平均值得到曲線，圖中所示一天中晝夜溫差［5-7］在13℃以內(nèi)，最大風(fēng)速小于6m/s；一天中晝夜溫差大于15℃,這一天的最大風(fēng)速就會大于7.5m/s。

圖3 風(fēng)速與溫度的變化曲線

從代表月2 月、3 月、4 月中選取風(fēng)速變化最頻繁最明顯的一天作比較，圖中可以看出風(fēng)速都是從中午12 點時以后風(fēng)速不斷增大，直至晚上24 點時風(fēng)速慢慢變小，個別會出現(xiàn)在23 時左右風(fēng)速最大；相同點就是這三天的溫差較大，且溫度變化大。例如：2 月18日，最低溫度-4℃，最高溫度是11℃，中午13點時溫度最高，天氣突然變化，溫度高低變化頻繁，就會導(dǎo)致風(fēng)速增大且高風(fēng)速還會持續(xù)很長一段時間。

圖4 24小時風(fēng)速變化

1.2.4 風(fēng)向占比。通過對兩座測風(fēng)塔2月份每個風(fēng)向測量儀八個方向測量數(shù)據(jù)等級頻率發(fā)生的統(tǒng)計，繪制了拉薩市低風(fēng)速區(qū)月風(fēng)向比例圖［8-10］。

從風(fēng)向占比圖中可以看出，各個風(fēng)向的占比變化不大，風(fēng)向分布較為分散［11］，其中西南風(fēng)和東南風(fēng)占比15%～17%之間，其余六個風(fēng)向占比大致相同在8%～15%之間，略偏于西南風(fēng)和東南風(fēng)?？紤]到拉薩市的地理位置［12］和地形地貌的復(fù)雜性和特殊性［13］，測風(fēng)塔又是安裝在拉薩市市區(qū)河谷地帶，安裝的測風(fēng)塔少，監(jiān)測到的風(fēng)向具有一定的局限性。

圖4 2月份風(fēng)向比例

2 結(jié)論

本文利用西藏自然科學(xué)博物館測風(fēng)塔風(fēng)場資料,分析了拉薩市低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能資源特征,主要包括空氣密度、風(fēng)能密度變化趨勢、風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度及其風(fēng)能頻率分布和風(fēng)向等參數(shù)，得到如下主要結(jié)論:

（1）拉薩市低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能資源主要集中在13點至23點之間,風(fēng)能密度、有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、不同等級風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率都表現(xiàn)出明顯的日變化特征,波谷值出現(xiàn)在凌晨1 點至8 點(風(fēng)能密度20 W/m2～15 W/m2之間,有效風(fēng)速頻率35%以上)，波峰值出現(xiàn)在下午17 點至19 點(風(fēng)能密度545 W/m2～160 W/m2之間，有效風(fēng)速頻率25%以上)。

（2）拉薩市低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)向是不斷變化的,風(fēng)能分布較為分散，這對于風(fēng)能開發(fā)是很有一定的局限性，根據(jù)風(fēng)能的分布情況，若要更大效率的利用風(fēng)能，選擇合適的風(fēng)機排布，長期運行，更有效的提高風(fēng)能發(fā)電力，選擇垂直軸風(fēng)力機要優(yōu)于水平軸風(fēng)力機，風(fēng)力機組最低啟動風(fēng)速選擇在2.5m/s。

（3）目前,拉薩受到環(huán)境變化、日照、溫度等影響，拉薩的風(fēng)能密度逐年變化,隨著低風(fēng)速風(fēng)電機組技術(shù)的不斷進步，拉薩低風(fēng)速區(qū)資源較為豐富，尤其現(xiàn)在不斷推進城鎮(zhèn)化建設(shè)，低風(fēng)速區(qū)可利用范圍值得開發(fā)利用。根據(jù)風(fēng)能的分布情況，適合安裝500kW～3000kW 風(fēng)力機，塔架高度3m 至12m。西藏作為我國重要戰(zhàn)略要地，可再生資源和能源儲備基地，有著資源上的絕對優(yōu)勢和比較優(yōu)勢，發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)是在新時代社會主義新西藏統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境要求下的新發(fā)展方向，最終達到合理利用現(xiàn)存的資源和保護環(huán)境的目的。