风能资源评估

2016/7/16 风能资源评估 内容概要 可研报告 1. 风能相关知识介绍 风： 空气的流动现象。常指空气相对地面的水平运动，是一个矢量 ,用风向和风速表示。 风速： 单位时间内空气移动的距离。通常指单位时间内空气的水平位移，空气运动速度的取值，一般有以下两种： 瞬时风速 ，相对于无限小的时段，即某一瞬间的阵风速度； 平均风速 ，相对于有限时段，通常指 2、 10分钟等的平均情况。 风向： 风的来向为风向。风向观测是用 16个方位或 0 360 数值来表示。静风用 “ C”表示。 本概念 风能： 以速度 上获得的能量，即获得的功率 P。 风功率密度： 气流垂直通过单位截面积的风能。 风向频率： 一定时段内某一个风向出现的频率与该时段内所出现的各种风向（风速）的总频率之比的百分率称为某个风向的频率。 风向玫瑰图： 据风的观测记录结果，用极坐标表示不同风向相对频率的图解。 风能玫瑰图： 用极坐标来表示不同方位风能相对大小的图解。 本概念 3221)2()( )2( 2V321 为空气密度 风速随高度的变化 风速随高度增加而增大，推荐用幂定律拟合，得到风切变指数。根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速可以推算出近地层任意高度的风速。 速变化 为风切变指数 粗糙度等级表 风速日变化 一般，近地层 白天午后最大，夜间和清晨最小； 上层 白天午后风小，夜间风大； 风的日变化幅度，晴天比阴天大，夏天比冬天大，陆地比海洋大。 风速年变化 一般，北半球中纬度地区，冬季最大，夏季最小；我国大部份地区春季是冷暖空气交替时期，所以春季风最大。 速变化 风速分布： 用来表示风速概率分布的函数（簇）。 通常用于拟合风速分布的线型很多，有瑞利分布、对数正态分布、 分布、双参数威布尔分布、三参数威布尔分布等，也可用皮尔逊曲线进行拟合。但威布尔分布双参数曲线，普遍认为适用于风速统计描述的概率密度函数。 速分布 0 速分布 风速 布尔分布 概率密度函数表达为： e x p)()( 11 2 湍流强度： 脉动风速的均方根与平均风速的比值，即 为脉动风速值（采样时间间隔 3s）， 为平均风速值。它是度量相对于风速平均值而起伏的湍流的强弱 。 u流强度 3 风能资源评价： 通过对某一区域的风速、风向观测时间序列进行分析，估算出该区域的风能资源储量，并对其风能资源多寡、质量和分布状况作出判断、评价。 能资源评价 4 全国风能区划 5 全国风能区划 6 内蒙自治区风速年变化类型 7 内蒙自治区风能区划图 8 内蒙自治区风能区划 9 内蒙自治区风能区划 0 内蒙自治区风能区划 1 2. 数据收集 2 风塔定位 定位原则： 1 测风塔安装位置应具有代表性 1）测风塔安装点应在风电场中有代表性，并且周围开阔； 2）测风塔安装点靠近障碍物如树林或建筑物等对分析风况有负面影响，选择安装点时应尽量远离障碍物。如果没法避开，则要求测风点距离障碍物的距离大于 10倍障碍物的高度。 3）测量位置应选择在风场主方向的上风向位置。 2 测风塔数量应满足风能资源评估要求，并依据风场地形复杂程度而定。 不能在风场海拔最高处，如山顶，也不能放在风场中间。 3 风塔定位 地形 在 风 机位置和最近的 测风 塔 之 间 建 议 的最大距离 简单 地形，如：非常平坦，只有一些粗糙的 变 化 2公里 较复杂 的地形，如：起伏的山峦 或者粗糙的表面（如森林） 1公里 非常 复杂 的地形，如：山脊 4 要求： 具有 30年以上规范的测风记录，且连续性较好 有同期的测风数据，且与测风塔同期数据相关性较好 靠近风场，且与风场地形条件相似 四周较开阔 考站点选择 5 序号 资料名称 内容描述 1 测风塔测风数据 至少连续一年完整的逐时测风数据 2 气象站探测环境实地勘察报告 气象站历史、地理位置、地形、障碍物、迁址记录以及所使用测风仪器变更情况 3 气象站多年（近 30年）气象要素 气温、气压、水气压、湿度、多年极端最高 /最低气温、年均沙尘暴日数、平均雷暴日数、多年最大风速（极大风速）、多年平均降水量、多年平均蒸发量、最大降雨量、最大冻土深度、最大积雪深度等数据（涉及最大 /小值均需提供对应出现时间） 气象站多年平均风向玫瑰图（ 16扇区） 气象站近 30年逐月平均风速表 气象站近 30年历年最大风速记录（包括风速、风向数据及其发生时间） 4 气象站同期测风数据 与测风塔同期的逐时风向风速资料 据收集 6 3. 测风塔数据检验与补全 7 缺测率小于 2% 数据检验包括 完整性、合理性、合理相关性和合理变化趋势 检验。 风电场风能资源评估方法 （ 风电场 测风有效数据完整率 应 90%，有效数据完整率计算公式： 其中，应测数目表示测量期间的小时数； 缺测数目表示没有记录到的小时平均值数目； 无效数据数目表示确认为不合理的小时平均值数目。 风电场风能资源测量方法 （ 现场测风应连续进且不少于一年，现场采集的测风数据 完整率应在 98%以上 。 数据 合理性、合理相关性和合理变化趋势 参考值见表 1表 3 据检验 有效数据完整率 =(应测数目缺测数目无效数据数目 )/应测数目 100% 8 主要参数 合理范围 平均风速 0 小时平均值 40m/s 风向 0 小时平均值 360 平均气压（海平面） 94 时平均值 106 1 主要参数合理范围参考值 表 2 主要参数的合理相关性参考值 主要参数 合理相关性 50m/30 2.0 m/s 50m/10 4.0 m/s 50m/30 表 3 主要参数的合理变化趋势参考值 主要参数 合理变化趋势 1小时平均风速变化 6 m/s 1小时平均温度变化 5 3小时平均气压变化 1 ：各地气候条件和风况变化很大，表中所列参数范围供检验时参考，在数据超出范围时应根据当地风况特点加以分析判断。 据检验 9 据补全 数据补全包括： 缺测数据和不合理数据的处理。 目的 :整理出一套连续一年完整的风场逐小时测风数据。 方法与步骤： 经检验后挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。 相关性不合理数据处理： 采用测风塔实测风切变幂律公式进行计算，替换各高度风速相关性不合理数据。对比同一测风塔不同高度风向，综合分析后替换风向相关性不合理数据。 缺测数据处理： 采用 相邻测风塔或者参考气象站同期数据与之进行相关分析 ，用得到的相关方程对缺测数据进行补全。 不合理气温、气压数据处理： 分析实测气温、气压数据，对比参考气象站相应观测资料，替换气温、气压趋势性不合理数据。 0 4. 代表年订正 1 的与方法 目的： 将验证补全后的风电场测风年数据订正为一套 反映风电场长期平均水平 的代表性数据。 代表年确定方法： 根据气象站近 30年各年（各月）平均风速，选择年平均风速等于或接近 30年年平均风速的年份，定义为平均风速年。 方法： 十六扇区相关性分析 大风年（测风年 代表年） ：负订正 小风年（测风年 代表年） ：正订正 2 六扇区相关性分析 3 x + 4 6气象站风速（m / s ）7 0 m 风速（m / s ）1） y=ax+b 2）订正值 =a（ 3）代表年 =测风年 +订正值 六扇区相关性分析 4 5. 风能要素分析 5 能要素分析的内容 各高度风速和风功率密度日、年变化及其平均状况 风向频率和风能密度的方向分布 风速和风能频率分布 全年有效风速小时数 全年不同高度的风速频率 50年一遇大风 湍流强度 风切变指数 空气密度 6 季节变化明显：冬春季较大，夏秋季较小 日变化：白天较小，晚上较大 （不同地方，变化规律不同） 高度风速和风功率密度日、年变化及其平均状况 702 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 时间hW/速702 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 月份W/速7 用各月的风速（或风功率密度）日变化曲线图和全年的风速（或风功率密度）日变化曲线图，与当地同期的电网日负荷曲线对比；风速（或风功率密度）年变化曲线图，与当地同期的电网年负荷曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好，表明风电场发电量与当地负荷相匹配，风电场输出电力的变化接近负荷需求的变化。 风速的日变化和季节变化要小 。 高度风速和风功率密度月、日变化及其平均状况 8 注：风功率密度蕴含风速、风速频率分布和空气密度的影响，是风电场风能资源的综合指标。 风功率密度等级达到或超过 3 级 风况的风电场才具有开发价值。 高度风速和风功率密度月、日变化及其平均状况 9 风电场内机组位置的排列取决于风能密度的方向分布和地形的影响。在风能玫瑰图上最好有一个明显的主导风向，或两个方向接近相反的主风向。在山区主风向与山脊走向垂直为最好。 向频率和风能密度的方向分布 0 速和风能频率分布 70 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24风速区间m / 功率密度 风速1 年有效风速小时数 高度（ m） 3 25m/s 4 25m/s 5 25m/s 总数 70m 8083 7408 6686 8784 60m 8085 7425 6685 8784 40m 8053 7382 6632 8784 30m 8102 7430 6663 8784 10m 7997 7234 6152 8784 2 年不同高度的风速频率 由于地理、气候特点的不同，威布尔分布的参数也截然不同。 和 3之间变化，在欧洲 ， 适合风力发电。 另外， 3 0年一遇最大风速 测风塔10m 与气象站大风相关y = 10 15 20 25气象站风速（m/s ）测风塔风速（m/s）气象站 气象站与测风塔相关 测风塔处 50年一遇最大风速 4 表 5 风力机等级的基本参数 0年一遇最大风速 决定风机等级 5 风电场的湍流特征很重要，因为它对风电机组性能和寿命有直接影响，当湍流强度大时，会减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风电机组。 等程度湍流的 高的 对风电场而言，要求湍流强度不超过 流强度 6 风切变指数推算y = 0 40 60 80高度（m ）风速（m/s）推算代表年轮毂高度处的风速 大风风切变推算 50年一遇大风 切变指数 7 气密度计算 t+273) 287 J/） 8 气密度计算 e Z*空气密度随气压和温度而变化， 随着高度的增加而递减 9 气密度计算 e Z*海拔（ m） 空气密度（ kg/ 与标准空气密度的比值（ %） 500 1000 1500 1600 1700 1800 1900 2000 0 特殊的天气条件要对风电机组提出特殊的要求，会增加成本和运行的困难，如最大风速超过 40m/0m/s；气温低于零下 20 ；积雪、积冰；雷暴、盐雾、高温或沙尘多发地区等。 他气象因素 1 通过对风电场测风塔 一年测风数据的分析处理 ，采用参考气象站长系列资料 评价风资源数据的代表性 ，并 推算代表年各风能要素 。以测风塔为代表的风电场场址风能资源评价结论如下： 一、经过代表年订正后的测风塔各高度全年 平均风速 分别为 m/s；相应的 风功率密度 分别为 W/风电场风功率密度等级 ，风能资源较好，具有开发价值。 二、风场区域代表年 70导风向 ，频率 %， 风能密度