风能资源分析和评估

1、1风能资源分析和评估风能资源分析和评估中国电力科学研究院中国电力科学研究院 陈默子陈默子2006.1.92主要内容主要内容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3.2 WindPro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3v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。v季风环流： 由于海陆差异、行星风

2、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。v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： v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。v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 51. 风能资源大气环流： v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

3、 赤道纬度30N环流圈纬度3060N环流圈 纬度6090N环流圈1.1 风的形成赤道30度60度赤道低压带东北信风带副极地低压带副极地低压带盛行西带风北极极地高压带极地东风带副热带高压带6季风环流v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。v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

4、v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。v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81. 风能资源测量位置v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；v测量位置数量，

5、依地形复杂程度而定。1.2 风的测量91. 风能资源测量参数v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v风向测量 与风速同步采集 16个扇区v气温 每小时采样一次并纪录v大气压 每小时采样一次并纪录1.2 风的测量101. 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111. 风能资源风玫瑰图1.2 风的测量图24 潘家测风塔与通榆气象站风向玫瑰图0.05.010.015.020.025.030.0NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSWWWNWNWNNW潘家10m潘家

6、30m潘家40m气象站单位：测站静风：0气象站静风：1.2气象站有误数据：0.1121. 风能资源测量仪器v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）v大气温度计v大气压力计v测量仪器应经过校准1.2 风的测量131. 风能资源测量设备的安装v测风塔结构和基础，应能承受30年一遇最大风力冲击v表面应防盐雾腐蚀 1.2 风的测量测风塔一处两处以上测风塔高度不低于轮毂高度不低于轮毂高度；10m整数倍测风仪数量应有3层至少2层测风仪位置10m高度；轮毂中心高度；10m高度整数倍10m高度；轮毂中心高度；其余10m高度整数倍141. 风能资源IEC61400-12 安装要求1.2

7、 风的测量151. 风能资源v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v风向频率及风能密度方向分布v风速的日变化和年变化v湍流强度 0.10较小, 0.100.25中等, 0.25过大。v极大风速（每3s采样一次的最大的风速值）v低气温（气温低于-30）v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 161. 风能资源平均风功率密度和有效风功率密度v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 3121iniWPnD 3121iniWPnDi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

8、计切入风速到切除风速之间的 17风功率密度等级表风功率密度等级10m 高度30m 高度50m 高度风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s11004.41605.10.5392. 复杂地形对风特性的影响复杂地形对风特性的影响2.3 障碍物v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 4kmhhHR3h402. 复杂地形对风特性的影响复杂地形对风特性的影响v用

9、等高线（height contour line)v需定义约510km半径范围 v由于气流通过山地时被压缩，风速增加2.4 地形信息 （orography）412. 复杂地形对风特性的影响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）422. 复杂地形对风特性的影响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； 432. 复杂地形对风特性的影响复杂地形对风特性的影响RIXRuggedness IndexvRiso 的概念，

10、v陡度系数20%以内WAsP有效 2.4 地形信息 2.4 地形信息 （orography）443.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 估计/计算风电场出力基本上有2种不同的方法v基于当地风测量（12 个扇区）的气象数据和Weibull分布。v借助于计算机模型，如风图谱（Wind Atlas）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453.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 WAsP两条主线：1. 4个输入， 得到风图谱(Wind Atl

11、as). 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。463.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 473.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.2 WindPro对象介绍 483.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.2 WindPro对象介绍 计算结果可以存为WAsP LIB文件也可以存为 WindPRO wind statistic 文件 493.风电场风能资源分析与评风电场风

12、能资源分析与评估估方法方法 3.2 WindPro对象介绍 Site Data 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 503.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.2 WindPro对象介绍 Area对象，用于：粗糙度区域（用roughness line 围起）Wind ResourcesSteepness region line 对象,用于等高线和粗糙度线 result 对象，在屏

13、幕上表示Wind Resource Map 513. 风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.3 风资源数据的获得 MCP(Measure Correlate Predict)v测量的短期数据(site) 1-1.5年，风速、风向v短期数据(reference站)，与site的短期数据同时间的，风速、风向、温差v长期数据(reference站) 10-20年，风速、风向、温差v模型：把数据校正到现场(site)的长期期望值vreference站数据(NCAR, WorldWindAtlas，)523.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.3 风资源

14、数据的获得 MCP 53v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(wing climate)v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风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.3 风资源数据的获得 543.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 v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 553.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 v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 5

15、63.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 v风速的线性关系分析 3.3 风资源数据的获得 573.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 v风向变化分析 3.3 风资源数据的获得 58v输入：数字化的粗糙度图 a digital roughness map 地形信息 Digitized Height Contour Lines 障碍物数据 Local Obstacles区域的风的统计数据 Wind Statistics v输出：.rsf文件格式的Wind Resource Map 风资源分布图 用来计算park作为WindSim 的输入 3.风电场风能资

16、源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.4 风资源分布图 593.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.4 风资源分布图 Global wind field 603.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.4 风资源分布图 Statistical Wind Field Model 450个气象，气象站之间内插，考虑了等高线613.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法 3.4 风资源分布图 Mesoscale flow models 623.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法3.4 风资源分布图 6

17、33.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法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 643.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法v影响尾流的参数v风速v几何参数叶片直径hub高度距离v空气动力学性质推力系数 Ctv湍流尾流衰减常数k粗糙度湍流模型v复盖Coveragev扇区的频度3.5 尾流计算65v尾流计算模型 N.O.Iesen,RISO3.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法3.5 尾流计算2321xRRuvv 距叶片后x距离的风速 u 叶片上风向

18、的风速 R 叶片半径 尾流衰减常数(wake decay constant) 663.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法v尾流计算模型3.5 尾流计算673.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法v尾流衰减常数取决于湍流，因此就取决于粗糙度 3.5 尾流计算粗糙度等级尾流衰减常数 备注10.04off shore30.10.075缺省值683.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法v尾流衰减常数3.5 尾流计算粗糙度 693.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法3.6 发电量计算703.风电场风能资源分析与评风电场风能资源分析与评估估方法方法v风电场项目1典型发电损失3.7 风电场项目发电损失和误差出力损失来源风电场项目1典型出力损失电力系统 电力损失 电力系统可利用率1.5%0