风能资源评估

1,风资源评估,龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司中国福霖风能工程有限公司,3/31/20092,主要内容,风的描述风资源评估工具及经验风电项目的可行性研究（第二章）,3,风的描述,1.风速风速单位时间内空气移动的距离。单位m/s。气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，指空间某一点，在给定的时段内各次观测的风速之和除以观测次数。在气象科学技术中，除约定者外，一般所说的风速，意味着是平均风速，如地面观测中的正点风速，实际上是正点前10分钟的平均风速。（2）瞬时风速，指无限小时段内的风速值。它仅能给出关于风的近似的概念，而且由于感应器的惯性，风速的瞬时值只能近似地测量。（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（4）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。,4,风的描述,1.风速国际上大多数国家采用的风速数据主要是10分钟平均数据，如果风速的平均周期不一致，相应的风速结果也会不同。风速的分布。目前比较常用的分析统计风速分布特点的方法是将风速值离散化，把不同风速值划分到相应的风速段（bin），然后分析在测风时间内不同风速段出现的频率，从而判断风资源状况。测风时间通常取1年。风资源评估一般采用weibull分布来描述风资源分布情况。但需要注意weibull拟合与实测数值差别较大的情况。,5,风的描述,1.风速平均风速随时间变化1）日变化风在一日内有规律的周期变化。该变化体现了由于日夜更替所引起的周期性变化，而不包括因天气形势变化所引起的非周期变化。典型的风速日变化是白天随太阳的升高而风速增大，夜间辐射冷却导致风速减小。2）月变化：一般指一年时段中以月为单位的逐月风速的周期变化。3）季变化：一年中以季为单位的风速的季节变化。4）年变化：常指风速在一年内的变化。一年中最大与最小的差称为年较差。5）年际变化：风速月或年平均在不同年之间的变化。从而了解它的变化大小，趋势等。,6,风的描述,2.空气密度每立方米空气所具有的质量就是空气密度，通常采用单位kg/m3。风力发电机通过把风力转化为作用在叶片上的转矩获得能量，这部分能量取决于流过叶轮的空气的密度，叶轮的扫风面积和风速。因此，空气密度也是决定风能大小的重要因素。流体的动能与流体的质量成正比，因此，空气的动能取决于空气密度，即单位体积的空气质量，也就是说，越“重”的空气能量越大。在标准大气压下，15时的每立方米空气重量为1.225kg。,7,风的描述,3.风速与风能风功率密度：与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，单位为W/风功率密度公式：P=0.5*V3风能的大小与气流通过的面积，空气密度和气流速度的立方成正比，因此，在风能计算中，最重要的因素是风速。风速的大小决定着风力发电机把风能转化为电能的多少。风的能量与风速的立方成正比，也就是说，风速增加一倍，风能增加7倍。右图为气流流过单位面积截面时的功率随风速变化情况。在风速为8m/s时，风功率密度为314W/m2；在风速为16m/s时，风功率密度为2509W/m2。,8,风的描述,4.风向风向:风的来向表示方法:方位表示法(16个方位)度数表示法(0360),9,风的描述,4.风向一般采用风向标测量风在水平平面上的分布情况。风向的分布。目前比较常用的分析统计风向分布特点的方法是将风向值离散化，把不同风向值划分到相应的扇区（sector），然后分析在测风时间内不同扇区出现的频率，从而判断风向分布状况。测风时间通常取1年。风资源评估一般采用风向和风能玫瑰图来描述风能在水平风向上的分布情况。但需要指出的是当风向和风能的主风向不一致时，应以风能玫瑰图为主。,10,风的描述,5.粗糙度和风切变距离地面1000m以上的风况几乎不受地面的影响，但是在大气层的近地面层，风速受到地面摩擦的影响较大。一般来讲，地球表面的粗糙程度越复杂，对风的减速效果越明显。例如，森林和城市对风速影响很大，机场跑道对风的影响相对较小，而水面对风的影响更小，草地和灌木地带对风的影响相对较大。风速随高度增加而增大的趋势变化曲线称为风廓线，其变化规律称为风切变规律。,11,风的描述,5.粗糙度和风切变地面粗糙度的情况对风资源的分布情况有重要影响，特别是对测风地点的选择和机组微观选址有重要意义，在必要时应绘制测风点或机位周围的粗糙度玫瑰图。风切变对于风电机组的设计非常重要，例如，一台风力发电机的轮毂高度为40m，叶轮直径为40m，则叶轮扫风面最上端（60m高度）的风速可达9.3m/s，最下端（20m高度）的风速为7.7m/s，这就意味着叶轮扫风面承受巨大的压力差。根据风机的设计规范，风机轮毂高度处的风切变系数不高于0.2.,12,风的描述,6.湍流强度湍流强度计算公式：TI=/V在近地层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、空间位置而变。在右侧图中，在平均风速相同的条件下，下面风速的湍流强度大于上面湍流强度。湍流强度能够减小风力发电机组的风能利用率，同时增加风机的磨损，因此，可以通过增加风力发电机组的塔架高度来减小由地面粗糙度引起的湍流强度的影响。同样的，在风机的设计规范中，对风机所承受的不同湍流强度做了说明。,13,6.湍流强度湍流产生的原因主要有两个,一个是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用，另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。通常情况下，上述两个原因往往同时导致湍流的发生。在中性大气中，空气会随着自身的上升而发生绝热冷却，并与周围环境温度达到热平衡，因此在中性大气中，湍流强度大小完全取决于地表粗糙度情况。,14,6.湍流强度测风塔处湍流强度各风速段下的湍流强度环境湍流强度：风场中单独一台风机承受的湍流强度，该湍流强度没有受其他风机的尾流影响，环境湍流强度可由测风塔测得的10分钟平均风速及其标准偏差计算得出。有效湍流强度：由环境湍流强度和因为风电机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。,15,3/31/200916,风的描述,7.风的分布正偏态分布分布曲线：威布尔分布瑞利分布,17,风的描述,7.风的分布（A尺度系数、K形状系数）,18,形状因子k值过小会使出现极大风速的几率增大,对于风机破坏可能性增大,而形状因子k值过大则将会使略大于设计风速的风速出现几率增大,相当于延长了风机的正常使用时间,这对于风机的发电有利,但对风机的安全寿命却会有损耗作用,19,风资源评估工具及经验,1.风资源评估工具简介用于风电场风能资源分布评估、尾流和发电量计算WAsP，WindPro，WindSim，Meteodyn等软件。用于风电场机位优化设计，风能资源分布评估、尾流和发电量计算的windfarmer，windpro等软件。用于计算风电场风机的荷载状况的WAsPEngineering。,20,风资源评估工具及经验,2.WAsP丹麦Riso国家实验室开发的WasP软件是目前常用的风资源评估软件，该软件主要功能有：区域风资源分布计算，风电场发电量计算，风电场布机效率计算等。WasP软件考虑不同的地形条件，地表粗糙度和障碍物对风资源分布的影响。根据估算到的某点的风资源状况，利用风力发电机组的功率曲线计算该风力机组的发电量。考虑风电场各个风电机组的尾流影响，计算风电场的理论发电量。,21,风资源评估工具及经验,2.WAsP基本工作过程：观测点风速风向数据-该点的weibull分布参数描述-weibull分布测风点的量化环境描述-该地区的风谱（windatlas）-windatlas兴趣点的量化环境描述-预测兴趣点的风资源状况风电机组的功率曲线-该点风电机组的理论发电量park尾流模型-风电场的净发电量（还尾流损失）,22,风资源评估工具及经验,2.WAsP软件的不足之处：1.WAsP软件主要针对欧洲的风资源分布特点开发，对于我国某些地区的风速分布特点不完全服从weibull分布，在使用和原理上存在误差；2.该软件主要适用于地形条件不是很复杂的地区，对于复杂地形，其计算结论也存在较大的误差；3.发电量计算没有考虑非标准空气密度下的电量偏差。,23,风资源评估工具及经验,3.WindFarmerWindFarmer是专门的风电场优化设计软件，根据风电场区域内风资源的分布情况，自动优化布置风机，达到风电场风能利用率最优的目的。WindFarmer是模块化软件，包含以下多个分析计算模块：1.基础模块，优化设计的核心模块；2.MCP模块，用于分析数据相关性；3.湍流强度计算模块；4.电气设计模块；5.经济评价模块；阴影闪烁模块。,24,风资源评估工具及经验,4.WAsPEngineeringWAsPengineering主要是用于估算在复杂地形中的风电机组或其它民用建筑结构的载荷情况。计算的风的参数主要有：极端风速，也就是50年一遇最大风速。如果风机位于山顶，则与周围平坦地形相比，风速和发电量会增加很多，但同时极端风速也会相应增加，将会对风机的叶片，塔架等设备的载荷带来不利影响。风切变和风廓线。较大的风切变会增加荷载的波动，因此，也会相应的增加风机叶片的疲劳强度，对风机的长期安全运行带来危害。湍流强度，湍流会对包括风机在内的各种民用建筑结构的动态荷载产生影响。,25,风资源评估工具及经验,5.MeteodynMeteodynWT使用计算流体力学方法(CFD)，比较适合复杂地形风资源评估。主要优点有：在复杂地形条件下风资源的评估具有相对较高的准确性和可靠性。可以进行基于时间序列的风资源参数计算，避免了采用weibull分布拟合的误差。支持多个测风塔数据分析。缺点有：对计算机的硬件要求较高，计算能力有限。计算时间相对较长。,26,WAsP计算年平均风速风谱图,27,WindFarmer计算年平均风速风谱图,28,MeteodynWT计算年平均风速风谱图,3/31/200929,风能资源评估（可研第二章）,依据：1、风电场工程可行性研究报告编制办法（发改能源2005899号）2、GB/T18710-2002风电场风能资源评估方法资料收集资料处理分析评价,3/31/200930,风能资源评估（可研第二章）,一、测站资料业主提供测站位置，周围地面粗糙度和障碍物情况，测风仪地面高程、测风仪离地高度、测风仪的型号、风向标的安装高度和角度、建站以来所测数据；二、气象资料气象局提供1、气象站的位置、经度、纬度、测风仪地面高程、测风仪离地高度、测风仪的型号、建站以来周围障碍物的变化情况；2、和测站对应的每小时的风速、风向值；近30年历年历月平均风速（不足30年时从有记录至今）；累年极端最大风速；3、累年平均气温、极端最高气温、极端最低气温4、累年平均气压、水汽压、湿度、降水量；5、累年平均风沙、雷暴和冰雹的天数。,3/31/200931,风能资源评估（可研第二章）,对场址的地理位置、地形、地貌、气候作简要介绍，说明风况的基本成因。首先说明气象站的位置、测风仪地面高程、测风仪离地高度、测风仪的型号、建站以来周围障碍物的变化情况。将相关气象要素整理成表格，为机型选择、发电量计算提供依据。,3/31/200932,风能资源评估（可研第二章）,将气象站近30月平均风速整理成表格。为直观起见，要绘制气象站历年年平均风速柱状图和累年平均风速年变化柱状图。提出大风月和小风月的月份，旨在对施工、运行维护作出合理安排，同时为电网对本项目的负荷作出大致判断。对测站的测风时段属于大风年、平风年、小风年作出说明。正常情况下，应该从气象站近30年的历年平均风速去判断。但是近年来全国大多数气象站年平均风速都有降低的趋势，主要原因是城市建设和气候变暖，因此建议采用近10年数据。,3/31/200933,风能资源评估（可研第二章）,简要介绍测站的情况，包括测风的过程、测风仪的安装高度和安装角度等。主要为在测风数据出现问题时分析原因。说明测风仪器类型、型号，测站的安装时间，测风塔的风速风向仪的配置情况，测风时段，测风塔所在位置的海拔高度等情况。,3/31/200934,风能资源评估（可研第二章）,1.数据的验证与处理测风数据的验证完整性检验：数量，数据数量应等于预期记录的数据数量；时间顺序，数据的时间顺序应符合预期的开始、结束时间，中间应连续。合理性检验：包括记录值的合理范围、相邻高度记录值的合理相关性及记录值的合理变化趋势等。测风数据的处理要求列出所有的合理数据和缺测数据及其发生时间；对不合理数据进一步判别，挑出符合实际情况的有效数据，回归原数据组；将备分或可供参考的传感器同期记录数据，经分析处理，替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据。,3/31/200935,风能资源评估（可研第二章）,2.气象台站测风数据与风电场测风数据的比较风电场测风数据需要与邻近气象台测风数据进行比较，以便获得长年代风电场风资源的多年平均状况。相邻气象台站应选取尽可能接近、地形及天气气候背景条件相似的台站，以平坦地形地区较好，有条件可选多个气象台站更好。订正的长年状况方法可按“风电场风能资源评估方法”标准的附录A进行。,3/31/200936,风能资源评估（可研第二章）,3.风场短期测风数据订正为代表年风况数据的方法1）作风场测站与对应年份的长期测站各风向象限的风速相关曲线。某一风向象限内风速相关曲线的具体做法是：建一直角坐标系，横坐标轴为长期测站风速，纵坐标轴为风场测站的风速。取风场测站在该象限内的某一风速值（某一风速值在一个风向象限内一般有许多个，分别出现在不同时刻）为纵坐标，找出长期测站各对应时刻的风速值（这些风速值不一定相同，风向也不一定与风场测站相对应），求其平均值作为横坐标即可定出相关曲线的一个点。对风场测站在该象限内的其余每一个风速重复上述过程，就可作出这一象限内的风速相关曲线。对其余各象限重复上述过程，可获得16个风场测站与长期测站的风速相关曲线。,3/31/200937,风能资源评估（可研第二章）,3.风场短期测风数据订正为代表年风况数据的方法2）对每个风速相关曲线，在横坐标轴上标明长期测站多年的年平均风速，以及与风场测站观测同期的长期测站的年平均风速，然后在纵坐标轴上找到对应的风场测站的两个风速值，并求出这两个风速值的代数差值（共有16个代数差值）。3）风场测站数据的各个风向象限内的每个风速都加上对应的风速代数差值，即可获得订正后的风场测站风速风向资料。,3/31/200938,风