风能资源分析和评估.ppt

1 风能资源分析和评估 中国电力科学研究院陈默子2006 1 9 2 主要内容 1 风能资源1 1风的形成1 2风的测量1 3风能资源评估的参考判据1 4风的特性2 复杂地形对风特性的影响2 1概述2 2粗糙度2 3障碍物2 4地形信息 3 风电场风能资源分析与评估方法3 1基本方法3 2WindPro对象介绍3 3风资源数据的获得3 4风资源分布图3 5尾流计算3 6发电量计算3 7风电场项目发电损失和误差 3 大气环流 风是由太阳的热辐射和地球自转的作用 在大范围内产生的气流流动 季风环流 由于海陆差异 行星风带的季节转化及地形特征引起的 盛行风向 气压系统 有明显的季节变化 局地环流 由于地球上局地因子的影响 区域性的气流也可以改变全球气流的状况 从而产生局地性的气流流动 1 风能资源 1 1风的形成 4 大气环流 气压梯度力地球绕太阳转 地球表面受热不均 增热程度随纬度增高而降低 温差引起大气层空气压力不均衡 北半球空气向北流动 地球自转偏向力北半球 气流向右 向东 偏转 地球偏向力在赤道为零 随着纬度的增高而增大 在极地达到最大 1 风能资源 1 1风的形成 5 1 风能资源 大气环流 大气环流在地球自转偏向力的作用下 形成三圈环流环流圈伸曲高度 赤道最高 中纬度次之 极地最低赤道 纬度30 N环流圈纬度30 60 N环流圈纬度60 90 N环流圈 1 1风的形成 6 季风环流海陆分布的作用 海洋热容量远大于陆地冬季 陆地比海洋冷 大陆气压高于海洋 气压梯度力 大陆 海洋 西北风 夏季 陆地比海洋热 陆地气压低于海洋 气压梯度力 海洋 大陆 地球上5个风带 南北半球对称 北半球3个风带 夏季均向北移动 冬季则向南移动 冬季西风带的南缘地带在夏季可以变成东风带 地形特征引起典型 青藏高原 冬夏温度相对周围地区变化大 1 风能资源 1 1风的形成 7 局地环流海陆风 由大陆与海洋温差转变引起海岸附近以一日为周期的海陆风 形成原因与季风相同 但以日为周期 范围小 势力弱 山谷风 山地附近山坡与周围空气受热不同形成白天 山坡接受太阳光热多 被加热的暖空气不断上升 而谷底上空相对较冷的空气则下沉补充 形成山谷风环流 晚间山坡降温快 于是又形成了相反的环流 1 风能资源 1 1风的形成 8 1 风能资源 测量位置测量位置的代表性所选测量位置的风况应基本代表该风场的风况 测量位置附近应无高大建筑物 树木等 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大于障碍物高度的10倍以上 测量位置应在风场主风向的上风向 测量位置数量 依地形复杂程度而定 1 2风的测量 9 1 风能资源 测量参数风速测量10min平均风速 用于风能资源计算 小时平均风速 通过10min平均风速获得 极大风速 3秒采样一次的最大值 用于安全计算风向测量与风速同步采集16个扇区气温每小时采样一次并纪录大气压每小时采样一次并纪录 1 2风的测量 10 1 风能资源 风玫瑰图表示各种风向出现的频率 1 2风的测量 11 1 风能资源 风玫瑰图 1 2风的测量 12 1 风能资源 测量仪器测风仪 风速传感器风向传感器数据采集器 保存不低于3个月 低温 大气温度计大气压力计测量仪器应经过校准 1 2风的测量 13 1 风能资源 测量设备的安装测风塔结构和基础 应能承受30年一遇最大风力冲击表面应防盐雾腐蚀 1 2风的测量 14 1 风能资源 IEC61400 12安装要求 1 2风的测量 15 1 风能资源 风功率密度 蕴含风速 风速分布和空气密度的影响 是风场的综合指标风向频率及风能密度方向分布风速的日变化和年变化湍流强度0 10较小 0 10 0 25中等 0 25过大 极大风速 每3s采样一次的最大的风速值 低气温 气温低于 30 其他 雷电 电线结冰 沙暴 盐雾 1 3风能资源评估的参考判据 16 1 风能资源 平均风功率密度和有效风功率密度平均风功率密度 设定时段内的逐小时风功率密度的平均值 1 3风能资源评估的参考判据 第i次记录的风速 m s 空气密度 kg m3 有效风功率密度 风速只计切入风速到切除风速之间的 17 风功率密度等级表 注 1 不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为1 7推算 2 与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值 按海平面大气压及风速频率符合瑞利分布推算 18 1 风能资源 湍流强度 风速标准偏差 计算 1 3风能资源评估的参考判据 10min风速标准偏差10min的平均风速m s10min内每一秒的采样值 19 1 风能资源 风速的垂直梯度 风速随高度变化风廓线 windprofile 风速的频率分布 1 4风的特性 20 1 风能资源 风速随高度变化造成风速的垂直变化的原因动力因素 地面的摩擦效应 地面的粗糙度 热力因素 近地层大气垂直稳定度的关系 当大气层结为中性时 其主要作用的是动力因素 经验公式 1 4风的特性 为高度h上的风速卡曼系数 0 4左右摩擦速度地面剪切应力粗糙度参数 21 1 风能资源 两个高度风速的关系 1 4风的特性 地表粗糙度指数 通过在不同高度上测风求得 当地面粗糙度未知时 可指数公式确定 值变化从1 15 1 4 最常用的是1 7 即 0 142 22 1 风能资源 不同地形的粗糙度长度和粗糙度指数 1 4风的特性 23 1 风能资源 风速随高度变化系数 1 4风的特性 24 1 风能资源 风频率分布通常用风速的频率分布函数f v 来表示 模型通常使用最多的是韦布尔分布 1 4风的特性 A为尺度参数K为形状参数K 2时 称为瑞利分布 25 1 风能资源 1 4风的特性 26 2 复杂地形对风特性的影响 平坦地形应符合下列条件 Frost和Nowak 在风电场四周11 5km直径范围内任一点 风电场与周围地形的高差不大于60m在风电场上风向4km和下风向0 8km内的山丘 其高宽比不大于1 50在上风向4km范围内 风机叶片下端离地的高度大于3倍最大高差h 2 1概述 27 2 复杂地形对风特性的影响 2 1概述 平坦地形应符合的条件 28 2 复杂地形对风特性的影响 不规则地形会改变风的流态风剪切风速随高度增加而增加 是表面粗糙度的函数湍流叶片的尾流效应大气边界层厚度 离地面近1000m的高度 认为气流是自由的 不受干扰 2 1概述 29 2 复杂地形对风特性的影响 应拥有的信息测风数据地形信息 等高线 粗糙度信息障碍物信息风电机组功率曲线地形的表示用1 25000或1 50000的数字地图分12个扇区包含上述信息 2 1概述 30 2 复杂地形对风特性的影响 粗糙度等级的概念粗糙度描述一个区域的地表特征 用粗糙度等级或粗糙度长度来表示用粗糙度线 roughnessline 包围一个区域粗糙度线不能交叉 一般风场需在约10 20km的半径范围内定义粗糙度 取决于轮毂高度和地形条件 2 2粗糙度 roughness 31 2 复杂地形对风特性的影响 3km处粗糙度对风机出力的影响 2 2粗糙度 roughness 32 2 复杂地形对风特性的影响 2 2粗糙度粗糙度和地表特征的对应关系 33 2 复杂地形对风特性的影响 2 2粗糙度防风林带高度对粗糙度等级的影响 34 2 复杂地形对风特性的影响 2 2粗糙度粗糙度长度和粗糙度等级的关系 35 2 复杂地形对风特性的影响 2 3障碍物风速遇障碍物损失的百分数 36 2 复杂地形对风特性的影响 2 3障碍物 Block 靠近实体障碍物的气流形成湍流的范围 37 2 复杂地形对风特性的影响 2 3障碍物 靠近防风林带的气流形成的湍流 与通透度有关 38 2 复杂地形对风特性的影响 防风林带形态与通透度的关系 2 3障碍物 障碍物表示WAsP把每一个障碍物看作一个长方体 定义在地图上的位置 尺寸及通透率 39 2 复杂地形对风特性的影响 2 3障碍物 障碍物与粗糙度区分 以下情况作为粗糙度来考虑 否则作为障碍物处理 设障碍物高度为h 如果 风机轮毂高度 叶片半径 3h 且风机距障碍物的距离 50h或风机轮毂高度 h 且风机距障碍物的距离 1000m 40 2 复杂地形对风特性的影响 用等高线 heightcontourline 需定义约5 10km半径范围由于气流通过山地时被压缩 风速增加 2 4地形信息 orography 41 2 复杂地形对风特性的影响 气流通过山地 位于小山丘上的WTG出力的增加与山丘顶部圆的半径的关系 2 4地形信息 2 4地形信息 orography 42 2 复杂地形对风特性的影响 2 4地形信息 2 4地形信息 orography WAsP极坐标计算 原点处计算精度高 43 2 复杂地形对风特性的影响 RIXRuggednessIndexRiso的概念 陡度系数20 以内WAsP有效 2 4地形信息 2 4地形信息 orography 44 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 1基本方法 估计 计算风电场出力基本上有2种不同的方法基于当地风测量 12个扇区 的气象数据和Weibull分布 借助于计算机模型 如风图谱 WindAtlas 或计算机辅助设计工具 指下图Lib文件要求有数字地形描述 区域风统计值当地等高线粗糙度障碍物 45 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 1基本方法 WAsP两条主线 1 4个输入 得到风图谱 WindAtlas 给出标准状况下风的概率分布 一般为Weibull分布 2 以所得到的风图谱为基础 加上4个输入 计算出风机在该点的理论年发电量 可求出一定范围内风机的最佳放置点 46 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 1基本方法 47 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 2WindPro对象介绍 48 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 2WindPro对象介绍 计算结果可以存为WAsPLIB文件也可以存为WindPROwindstatistic文件 49 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 2WindPro对象介绍 SiteData对象 Atlas和WAsP的接口和Resources的接口 根据应用 site对象可以使用不同的颜色 如 黑用于Atlas 蓝用于WAsP 淡蓝用于Atlas WAsP 黄用于STATGEN 绿用于RESGEN 50 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 2WindPro对象介绍 Area对象 用于 粗糙度区域 用roughnessline围起 WindResourcesSteepnessregionline对象 用于等高线和粗糙度线result对象 在屏幕上表示WindResourceMap 51 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 3风资源数据的获得 MCP MeasureCorrelatePredict 测量的短期数据 site 1 1 5年 风速 风向短期数据 reference站 与site的短期数据同时间的 风速 风向 温差长期数据 reference站 10 20年 风速 风向 温差模型 把数据校正到现场 site 的长期期望值reference站数据 NCAR WorldWindAtlas 52 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 3风资源数据的获得MCP 53 应用条件 site的短期数据要与reference站的参考站数据相关性较好 相关含义 找出site数据和reference站数据是否表示同样的风状况 wingclimate 质量控制长期的增减趋势测风位置变动测风仪器更换 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 3风资源数据的获得 54 3 风电场风能资源分析与评估方法 检查小尺度的风速和风向变化是否匹配 3 3风资源数据的获得 55 3 风电场风能资源分析与评估方法 检查大尺度的风速和风向变化是否匹配 3 3风资源数据的获得 56 3 风电场风能资源分析与评估方法 风速的线性关系分析 3 3风资源数据的获得 57 3 风电场风能资源分析与评估方法 风向变化分析 3 3风资源数据的获得 58 输入 数字化的粗糙度图adigitalroughnessmap地形信息DigitizedHeightContourLines障碍物数据LocalObstacles区域的风的统计数据WindStatistics输出 rsf文件格式的WindResourceMap风资源分布图用来计算park作为WindSim的输入 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 4风资源分布图 59 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 4风资源分布图 Globalwindfield 60 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 4风资源分布图 StatisticalWindFieldModel 450个气象 气象站之间内插 考虑了等高线 61 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 4风资源分布图 Mesoscaleflowmodels 62 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 4风资源分布图 63 3 风电场风能资源分析与评估方法 流体模型的网格结构中尺度流体模型WAsP 等格网状极坐标 对特定点计算 一点精度高 但其它点差 3 4风资源分布图 64 3 风电场风能资源分析与评估方法 影响尾流的参数风速几何参数叶片直径hub高度距离空气动力学性质推力系数Ct湍流尾流衰减常数k粗糙度湍流模型复盖Coverage扇区的频度 3 5尾流计算 65 尾流计算模型N O Iesen RISO 3 风电场风能资源分析与评估方法 3 5尾流计算 v距叶片后x距离的风速u叶片上风向的风速R叶片半径 尾流衰减常数 wakedecayconstant 66