风能资源评估及微观选址初步介绍-ppt课件-湘电风能

,风能资源评估及微观选址初步介绍讲解：吴晓鹏,目录 第一章 风 能 资 源 评 估 综 述 第二章 风 能 资 源 评 估 第三章 风 电 场 微 观 选 址 第四章 工 程 实 例 第五章 分 析 及 总 结,第一章 风能资源评估综述,引言 随着化石能源的日益稀缺,全球环境的恶化 ,开发可再生清洁能源成为各国的能源目标。风力发电技术较成熟且可靠性高 ,它是发展最快的新型能源在风电场建设的可行性研究阶段需要对拟建风电场进行风资源评估。评估的目的主要是为确定风电场的装机容量和风力发电机组选型及布置等提供依据 ,便于对整个项目进行经济技术评价。风资源测量和评估水平直接影响风电场选址以及发电量预测 ,最终反映为风电场建成后的实际发电量。,风资源评估需要的基础资料 风电场的风资源分析评估 ,一般除收集当地气象站近期30年的常规气象资料外 ,还应收集整理风电场场址处至少连续 1 年 的风速、风向整编资料 ,且收集的有效数据不宜少于收集期的90 %。故一般拟建风电场场址处都应设立观测站进行13年的连续风速、风向观测。 数据验证 检查风场测风获得的原始数据，对其完整性和合理性进行判断，检验出缺测的数据和不合理的数据，经过适当处理，整理出一套连续一年完整的风场逐小时测风数据。数据订正 根据风电场附近气象站、海洋站等长期测站观测数据，用相关分析的方法将验证后的风电场测风数据订正为一套反映风电场长期平均水平的代表性数据，即风电场代表年的逐小时风速风向数据。,数据处理 风资源评估一般需对观测资料进行以下几个项目的分析计算： 1)风的日、月变化规律 一般应挑出一个典型日和一个典型月 ,典型日逐时的风速变化能反映风的一般日变化规律 ,典型月逐日的风速变化能反映风的一般月变化规律。并绘制典型日的逐时及典型月的逐日变化柱状图。 2)年风速风向频率统计 此项目的统计可按常规方法 ,根据统计结果绘制全年风向玫瑰图及风速玫瑰图。 3)年有效小时数 风机有切入和切出速度 ,切入速度一般为 3m/s或5m/s ,切出速度一般取 25 m/s 或 27 m/s ,从切入到切出之间的风速称为有效风速。有效风速的范围一般因风机的产地及功率而有所不同。统计出每年累计风速值在有效风速范围内的小时数 ,然后将历年值平均 ,即得年有效小时数。,4） 各等级风速频率 将风速值按 1 m/s 间隔划分为若干等级 ,统计各等级风速出现的次数,各等级次数除以各等级风速出现的总次数即为此等级风速频率。根据统计结果绘制各等级风速频率图。5） 风能的计算 风能的利用主要将它的动能转化为其他形式的能 ,因此,计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能。按有效风速计算的风能密度称为有效风能密度。在单位时间内以风速 v 穿过面积为S 的风轮的总功率,即风能的功率为： W = 1/2S v3,第二章 风能资源评估,1 概述 风能资源评估是整个风电场建设、运行的重要环节,是风电项目的根本,对风能资源的正确评估是风电场建设取得良好经济效益的关键,有的风电场建设因风能资源评价失误, 建成的风电场达不到预期的发电量,造成很大的经济损失。风能资源评估包括三个阶段:区域的初步甄选、区域风能资源评估及微观选址。2 区域的初步甄选 建设风电场最基本的条件是要有能量丰富 ,风向稳定的风能资源。区域的初步甄选是根据现有的风能资源分布图及气象站的风资源情况结合地形从一个相对较大的区域中筛选较好的风能资源区域 , 到现场进行踏勘 , 结合地形地,貌和树木等标志物在万分之一地形图上确定风电场的开发范围。风电场场址初步选定后,应根据有关标准在场址中立塔测风。测风塔位置的选择要选具有代表整个风电场的风资源状况,具体做法:根据现场地形情况结合地形图 , 在地形图上初步选定可安装风机的位置,测风塔要立于安装风机较多的地方,如地形较复杂要分片布置立测风塔,测风塔不能立于风速分离区和粗糙度的过渡线区域,即测风塔附近应无高大建筑物、地形较陡、树木等障碍物,与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍,与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上;测风塔位置应选择在风场主风向的上风向位置。测风塔数量依风场地形复杂程度而定:对于较为简单、平坦地形,可选一处安装测风设备;对于地形较为复杂的风场,要根据地形分片布置测风点。测风高度要最好风机的轮毂高度一样,应不低于风机轮毂高度的2 /3,一般分三层以上测风。3 区域风资源评估 区域风资源评估内容包括:对测风资料进行三性分析,包括代表性,一致性，完整性;测风时间应保证至少一周年,测风资料有效数据完整率应满足大于90%,资料缺失的时段应尽量小(小于一周 )。,根据风场测风数据处理形成的资料和长期站 (气象站、海洋站 )的测风资料,按照国家标准风电场风资源评估方法 ( GB/T 18710- 2002)计算风电机组轮毂高度处代表年平均风速,平均风功率密度,风电场测站全年风速和风功率日变化曲线图,风电场测站全年风速和风功率年变化曲线图,风电场测站全年风向、风能玫瑰图,风电场测站各月风向、风能玫瑰图, 风电场测站的风切变系数、湍流强度、粗糙度; 通过与长期站的相关计算整理一套反映风电场长期平均水平的代表数据。 综合考虑风电场地形、地表粗糙度、障碍物等,并合理利用风电场各测站订正后的测风资料,利用专业风资源评估软件 (WASP、WindFarmer等 ),绘制风电场预装风电机组轮毂高度风能资源分布图,结合风电机组功率曲线计算各风机的发电量。 按照国家标准风力发电机组安全要求(GB 184511 - 2001)计算风电场预装风电机组轮毂高度处湍流强度和50年一遇 10min平均最大风速,提出风电场场址风况对风电机组安全等级的要求。 根据以上形成的各种参数,对风电场风能资源进行评估,以判断风电场是否具有开发价值。,Wasp计算结构,图1 #0781风向、风能玫瑰图,图2 #0781塔70m威布尔曲线图,第三章 风电场微观选址,风电场选址工作包括宏观选址和微观选址,是风电场建设的基础性工作。宏观选址工作在前期规划阶段进行,结合当地气象站的资料进行风资源评估,同时考虑电网、交通、地质等条件；微观选址工作主要在设计阶段进行 ,根据风电场风资源分布图,同时结合各项限制条件确认每台风机的机位,满足业主和相关部门的各项要求 ,使整个风场具有较好的经济效益。风电场微观选址是风电场设计阶段的主要工作,它涉及的因素较多,主要有风电场土地的性质、周围村庄和建筑物的分布、当地环境部门的要求等。在充分考虑这些限制因素的情况 ,结合风电场风资源分布图进行优化选址,在初步选址之后进行现场勘探定点,并确定最终布局。,微观选址重要性 微观选址的失误可能会使项目投资增加，特别是在负责地形地貌条件下风电场选址更需要仔细研究。因此，在项目开始建设前必须认真细致的做好微观选址工作非常必要。微观选址主要工作风场建设前评估微观选址进行的评估内容包括：产能评估：因风品味的不同，同样的风速产量却不会一样风险评估：风况对设备的影响与危害设备选型：针对不同的风资源特性，选用适合的设备机位选址：优化机位，产能最大化，危害最小化微观选址流程风数据整理和分析：初步优化机位(利用风资源数据及数字化地形图)再优化机位（根据经验及现场微调）最终机位布置图（机位安全评估）计算投资技术指标（可靠的产能分析、场地投资建设成本、运行管理与服务成本）确认项目收益 经验总结（项目建成投产后的评估、总结，为下一项目做技术储备）,微观选址方法 目前 , 微观选址通常采用两种方法，一种是线性方法，另一种是CFD方法： 1、线性方法 前期国际上较为流行的风电场设计软件 WASP及 W indFarmer进行风况建模,建模过程如下:根据风电场各测站订正后的测风资料、地形图、粗糙度,利用满足精度及高度要求的WindFarmer软件的三个输入文件,包括:轮毂高度的风资源栅格文件、测风高度的风资源栅格文件及测风高度的风资源风频表文件。采用关联的方法在 WindFarmer软件中输入WASP软件形成的三个文件,输入三维的数字化地形图(110000或1：5000),地形复杂的山地风电场应采用15000地形图,输入风电场空气密度下的风机功率曲线及推力曲线, 设定风机的布置范围及风机数量,设定粗糙度、湍流强度、风机最小间距、坡度、噪声等,考虑风电场发电量的各种折减系数,采用修正 PARK尾流模型进行风机优化排布。根据优化结果的坐标,利用GPS到现场踏勘定点,根据现场地形地貌条件和施工安装条件进行了机位微调,并利用 GPS测得新的坐标,然后将现场的定点坐标输入Windfarmer中,采用粘性涡漩尾流模型对风电场每台风机发电量及尾流损失的精确计算。,2、CFD方法 计算流体动力学（CFD）是指借助计算机模拟实际流体，使分析者在没有测量流体变量工具帮助的情况下，仿真和了解所给地点的流体流动。随着风电的飞速发展，规划场址开始从风能稳定、施工条件好的简单地形向高湍流、施工难度大的复杂地形发展。以WAsP为计算引擎的风能资源评估软件在处理复杂地形时，会增加计算结果的不确定性，特别是针对环境湍流强度比较大的项目，单台风机综合湍流强度最大值往往逼近风机的设计临界值，此时应用以WAsP为计算引擎的风能资源评估软件进行计算导致的误差也许就会对风机的长期安全运行存在一定影响。在此条件下，应用于复杂地形的基于CFD的风能资源评估方法逐步应用于风资源评估工作当中。,线性方法工作过程,CFD方法工作过程,CFD为计算流体力学简称。计算流体力学或称之CFD技术是通过计算机的帮助对流体进行模拟。CFD技术可以根据流体力学的规律进行模拟求解，将几何区域分解为小的立方体空间（即通常我们所说的网格），并在其中求解复杂的偏微分方程组（N-S方程组）。 CFD技术允许我们在没有对特定地点风流变量实际测量的情况下对流体进行模拟并进而了解流体的相关属性。,微观选址原则：保证风机安全性整体发电量最大如下：a)根据现场收集到的测风数据进行分析，先确定盛行的主导风向，然后根据风向和风能玫瑰图，结合地形地貌特点，在满足风机间距要求前提下充分利用有利于加大风速的地形，以发电量最大，尾流影响较小为原则进行风机布局。从风能玫瑰图分析，风力发电机组按垂直于主风能方向成错列布置。风机行、列距分别按不小于5倍风轮直径和3倍风轮直径进行布置b)风电机组的布置应根据地形条件，充分利用风电场的土地和地形，考虑风电场的送变电方案、运输、地质条件和安装条件，力求电力电缆长度较短，运输和安装方便c)考虑风电场内建筑物、主干道路、输电线路等对风电机组布置的约束。,平坦地形的选址 平坦地形可以定义为，在风电场去及周围5公里半径范围内其他地形高度差小于50m，同时地形最大坡度小于3度；布置风力发电机组时必须避开障碍物的尾流区；在上风向和障碍物的外侧也会造成湍流涡动区；平均风速由于障碍物的多少和大小而相应变化，此时地面影响必须严格考虑，如通过修正地面粗糙度等。复杂地形的选址山谷地形的选址 由于受山谷风的影响，风将会出现明显的日或季节变化。在谷底选址时，首先要考虑的是山谷走向是否与的当地盛行风向一致。因为山地气流的运动，在受山脉阻挡情况下，会就近改变流向和流速，在山谷内风多数是沿着山谷吹的。然后考虑选择山谷中的收缩部分，这里容易产生狭管效应使风提速，而且两侧的山越高，风也越强。另一方面，由于地形变化剧烈，所以会产生很强的风切变及湍流，在选址时应该注意。山丘、山脊地形的选址对山丘、山脊等隆起地形，主要利用它的高度抬升和它对气流的压缩作用来选择风机安装的有利地形。孤立的山丘或山峰由于山体较小，因此气流流过山丘时主要形式是绕流运动。同时山丘本身又相当于一个巨大的塔架，是比较理想的风机安装场址。,在山丘与盛行风向相切的两侧上半部是最佳场址位置，这里气流得到最大的加速。其次是山丘的顶部。由于背风面及山麓风速明显降低，而且有强的湍流，应尽量避免在这些区域选定场址。复杂地形地貌的沿海风场应避免单纯追求阵列布局规则美，忽视山地地势的不规则美，以及只关心主导风向风险，忽视非主导风向的风险分析，而导致产量的损失及设备的损坏。风电机组的机位布置平坦的陆地及海面地形上布置机位时，在盛行风向上要求机组间相隔5-9倍风轮直径，在垂直于盛行风向上要求机组间相隔3-5倍风轮直径；风电机组具体布置时应根据风向玫瑰图及风能玫瑰图确定风电场主导风向,对平坦、开阔的场址，可以按照间距规则，单排或多排布置风电机组,在多排布置时应呈梅花型排列，以尽量减少风电机组之间尾流的影响；在复杂地形条件下的风电场选址，可利用专业选址软件对场址风能资源进行分析，寻找风能资源丰富，具有开发价值的布机点；确定机位选址后，利用不同的塔筒高度，合理的风机间距布置,才能满足风场总体效益最大化的目标，同时满足适当的条件限制。,风电机组梅花型排列,尾流效应示意图1 风速廓线；2 湍流强度,图3 江西老爷庙风电场WF微观选址图,图4 泽岐风电场XE82风机布置图,第四章 工程实例,现以江西老爷庙项目为例,简要说明基于CFD模型的WT软件的操作流程： 1、先对0770#、0773#、0774#、0781#、0782#五根测风塔数据进行分析整理，同时根据1：5000等高线地图及场址地形地貌情况编辑带有粗糙度标识的数字化地形图。 2、在要排布风机的区域内,利用15000数字化地图及粗糙度图,进行场区内70米高度风能分布的定向计算。然后，结合五根测风塔实测数据分别进行单测风塔的综合计算，考虑到各测风塔的实际情况再通过加权处理进行多测风塔的综合计算，最终数值模拟出整个场址区域的风能资源分布图。推算结果见图1：,图5 江西老爷庙风电场70米高度能量密度分布图,图6 江西老爷庙风电场70米高度湍流强度分布图,图7 江西老爷庙风电场70米高度入流角分布图,3、结合机型参数及场址风能资源分布情况，采用park尾流模型在openwind中进行风电场优化设计，并根据自己的经验进行最终的调整布局。4、最后根据最终选址方案进行各风机参数的计算。,第五章 分析及总结,根据对我国风电场运行情况的调查显示:我国大部分风电场的年平均容量系数在 0.210.24，有些风电场单机年平均容量系数甚至仅在0.160.18，并且目前许多风电场建成投产后实际的年发电量比预测值要低20%30 %，还有极少数风电场甚至低达 ！为什么会有如此大的差别呢?,40%,现有的相关国标存在若干误区，急需更新,风能资源评估的计算方法与项目不适应 有些项目条件复杂，如地形坡度较大，大气热稳定度非中性，以往普遍采用的WAsP并不适应此类项目，原因举例如下：1、WAsP为线性模型，不能考虑流体分离，对地形坡度大于16.7度的风电场，存在一定的不确定性；2、WAsP默认大气热稳定度为中性，对于大气热稳定度非中性的项目，存在一定的计算偏差；3、尾流模型与实际项目不适应。测风塔在地图上的标定位置与实际相差较大 由于很多设计人员对坐标系统不了解，或者控制点方面出现问题，导致计算时设定的测风塔坐标与实际相差较大，本身对场址区域的风能资源数值模拟均基于测风塔的风况，若测风塔基准点出现问题，将会导致计算结果出现一定程度的偏差。如康保风电场，设计院在预可研、可研阶段一直认为测风塔在图上的标定位置准确，计算也基于此坐标点，测风塔在图上的位置为背风面的山坡上，离山顶尚有20m的高度差，但是我们经过去现场勘查发现，测风塔在山顶上，因此及时调整了坐标重新计算，前后的计算结果差距非常大，导致风机选型的结论截然不同，幸亏及时发现，否则后果堪忧！,现场风力数据测试时间过短，所使用的风力数据不具有代表性 风电场建设之初，现场风力数据至少需要测试13年时间，同时还要获得风电场附近气象站3050年风力数据，用于对现场测试的风力数据进行长期修正，以增强风场评估数据的可靠性。但是在我国，很多项目为了赶工期、追进度，业主往往对现场风力数据只测试1年，甚至更短，也不进行长期修正，从而造成了风场风能评估误差的增加。平均风速的误差每增加1%，风场风能的评估误差就会增加3%。因此，风能评估人员在得到业主所提供的风力数据后，一定要认真整理分析，对漏测的时间段或测试异常的时间段的数据进行修正，以确保得到具有代表性的风力数据，作为风场建设的测算基础。 风电场地表粗糙度定义存在误差，增加了风能评估的误差 风电场地表覆盖物特征会对风电场风能的输出产生重要的影响。森林、草原、农田等不同地表状态的表面粗糙度有很大区别，而我们在计算机上建立模型的时候，由于手里地图等资料精度的影响，常常会产生误差。 等高线数据不够精确，造成风能评估的误差 等高线的准确是整个风场模型准确的前提条件， 而现在很多设计院和业主使用 1：50000 或 1：5000 航拍地图，将其扫描到评估软件后对不规则等高线进行手动调整。这一过程往往会产生较大的误差，甚至达到 30 m 以上。如此大的误差，尤其对于地形复杂的风场，造成了整个模型从根本上发生错误。因此，建立等高线模型之后选址人员仍需要到现场进行实地考察，尤其是测风塔等关键点。,测风仪没有定期进行校正 测风仪属于高精度仪器，如果不定期进行校正，误差就会逐步增加。而很多业主安装了测风仪之后就只是等待下载数据，忽视了对测风设备的定期维护，从而影响测量数据的可靠性。 没有考虑现场空气密度对发电量的影响 现场空气密度下的功率曲线是风电场发电量准确评估的重要条件。空气密度和风功率密度成正比例关系，但标准空气密度下的风机功率曲线和不同空气密度下的风机功率曲线并不是成正比关系。虽然有些风能评估软件在建立模型时已经考虑了现场空气密度对风能的影响，但往往只通过简单的比例关系进行折减，从而影响到了风场最终发电量的评估。 过分依赖软件的自动生成功能 现在的风能评估软件大多具有自动布机方案的功能，即设计人员输入风场装机容量、风机台数、风机间间距等参数后，软件会自动生成布机方案，设计人员往往过分依赖此功能。但是由于软件算法的局限性，软件的最终优化方案并一定是最佳方案，需要根据经验及实际情况进行适当调整，很有可能调整后的方案优于软件最终优化方案。,风机定位一定要考虑实际吊装及风机基础施工的可行性，以免给将来的项目执行造成隐患 在微观选址时一定要考虑将来项目执行中风机的实际吊装及基础施工的可行性，要给吊机和基础施工留出施工位置。通常情况下，MW级风电机组基础至少需要一个 20 X 20 m 的施工平台和 40 X 40 m 的吊装平台，所以在地势起伏较大的山地地区，一定要考虑周全，不要给将来项目执行造成麻烦。特别在丘陵地区，更应该注意，坚决避免基础坐落在回填土上甚至基础外露的情况。基础的有效深度一定要满足设备厂家技术要求，以避免风机发生倾斜甚至倒塌的情况出现。 机位施工前后地形的变化带来的影响 某些机位处地形条件复杂，施工前后地形变化很大，但是计算用的地图为施工前的地图，这也会导致一定的计算偏差，建议设计人员处理坡上机位时要特别注意，充分考虑由此带来的计算偏差及不利影响！如我公司沿海某项目某机位，机位施工前后地形变化很大，形成了前面是悬崖，后面是峭壁的残酷地形，对风机的出力及寿命极为不利！,折减系数取得偏大 由于风电在中国起步不长，缺少项目后评估经验，设计人员在折减系数取值时往往采取过大的值，使得与实际存在较大偏差。,总 结 微观选址完成后需要定期对风场评估结果进行核对，找出其中误差的原因，为将来新的项目积累经验 各个风场项目的地理地貌、风资源状况不尽相同，因此，微观选址也需要不断在实践中累积经验，以在新的项目中吸取教训，不断减小误差，让风机的效能得到最好的发挥。,微观选址需要注意的问题 注意测风塔的位置尽量能代表预估机位的风资源状况，保证测风数据的真实准确性； 项目时间安排上保证微观选址具有多次校对核实的时间，避免来去匆匆，只能纸上谈兵式的进行简单粗糙的分析； 避免对封基安全性评估不够，过早确定装机容量，有时造成装机容量过大，减少项目收益，增加财务风险； 避免只重视眼前产能，不关心安全，忽视风机全寿命周期的风险评估，导致后期运行管理维护费用增加及设备寿命减少。,湍流对风电机组的危害：控制系统不能及时跟进对机械及电气进行调整；将减少输出功率及向电网输送大量谐波，使输出电能的质量严重恶化，严重时引起电网故障；湍流将引起叶片不平衡及振动，增加疲劳负荷，零部件频繁更换；使得风电机组的设计使用寿命大大缩短，严重时出现极端载荷导致风轮过速飞车、叶片折断、塔筒倾折等设备致命性损坏事故。高湍流应对措施优化风机布局，扩大上风向及周围机位与该机位的间距，同时上风向机位尽可能避开主导风向位置，减少其他机组尾流的影响；将原计划的机位移到风速可能会稍低，但湍流强度合适的位置 由于气流受地表粗糙度影响，一般而言，随着高度的增加气流越稳定，计算出湍流强度符合要求的某个高度，确认轮毂高度，在允许的情况下提高塔筒高度将该位置机型换成湍流强度级别更高的风电机组风电机组进行扇区管理若以上几点放昂发仍不能满足条件，必须取消本安装机位,微观选址对于厂家的重要性 风电场选址的好坏，对风力发电预期出力能否达到有着关键的作用，风电场场址还直接关系到风力机的设计或风力机机型选