风能资源评估

2023/1/14风能资源评估21.风能相关知识介绍2.数据收集3.测风塔数据检验与补全4.代表年订正5.风能要素分析

内容概要可研报告31.风能相关知识介绍4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。1.1基本概念5风能：以速度V自由流动的气流每秒钟在面积A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。

1.1基本概念ρ为空气密度6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。1.2风速变化α为风切变指数7粗糙度等级表8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。1.2风速变化9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。

1.3风速分布

101.3风速分布

风速v的威布尔分布概率密度函数表达为：1112

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。1.4湍流强度13

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。1.5风能资源评价14全国风能区划

15全国风能区划

16内蒙自治区风速年变化类型

17内蒙自治区风能区划图18内蒙自治区风能区划19内蒙自治区风能区划20内蒙自治区风能区划212.数据收集222.1测风塔定位定位原则：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。232.1测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0.5公里24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2.2参考站点选择25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2.3数据收集263.测风塔数据检验与补全27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》（GB/T18710.2002）：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》（GB/T18709.2002）：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33.1数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%28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）94kPa＜小时平均值＜106kPa表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/30m高度小时平均风速差值＜2.0m/s50m/10m高度小时平均风速差值＜4.0m/s50m/30m高度风向差值＜22.5°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＜6m/s1小时平均温度变化＜5℃3小时平均气压变化＜1kPa注：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。3.1数据检验293.2数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。304.代表年订正314.1目的与方法目的：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324.2十六扇区相关性分析331）y=ax+b2）订正值△=a（V代表年-V测风年）3）代表年=测风年+订正值△4.2十六扇区相关性分析345.风能要素分析355.1风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Weibull分布50年一遇大风湍流强度风切变指数空气密度36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）5.2各高度风速和风功率密度日、年变化及其平均状况37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。5.2各高度风速和风功率密度月、日变化及其平均状况38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。5.2各高度风速和风功率密度月、日变化及其平均状况39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。

5.3风向频率和风能密度的方向分布405.4风速和风能频率分布415.5全年有效风速小时数高度（m）3～25m/s4～25m/s5～25m/s总数70m808374086686878460m808574256685878440m805373826632878430m810274306663878410m7997723461528784425.6全年不同高度的风速频率Weibull分布由于地理、气候特点的不同，威布尔分布的参数也截然不同。k值一般在1和3之间变化，在欧洲k值一般都取2，k值越大说明风速的波动越小，越适合风力发电。另外，k值会随着高度的增加而微量的增大。43

5.750年一遇最大风速气象站气象站与测风塔相关测风塔处50年一遇最大风速44表5风力机等级的基本参数

5.750年一遇最大风速决定风机等级45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。IT值在0.10或以下表示湍流相对较小，中等程度湍流的IT值为0.10～0.25，更高的IT值表明湍流过大。对风电场而言，要求湍流强度IT

值不超过0.25。5.8湍流强度46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5.9风切变指数475.10空气密度计算P为年平均气压，T为年平均开氏温标绝对温度（t+273)R为气体常数（287J/kg·K）485.10空气密度计算空气密度随气压和温度而变化，随着高度的增加而递减495.10空气密度计算海拔（m）空气密度（kg/m3）与标准空气密度的比值（%）5001.16595.110001.10890.515001.05486.116001.04485.217001.03384.418001.02383.519001.01382.720001.00381.950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/s或极大风速超过60m/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。

5.11其他气象因素51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/m2。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70m全年主导风向，频率%，风能密度分布最大方向，频率%三、风电场址海拔高度在m之间，空气密度为1.032kg/m3。四、测风塔代表年70m高度3m/s～2