风电场选址阶段风能参数估算方法

风电场选址阶段风能参数估算方法
洪祖兰Ξ
(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,云南昆明　650051)
摘　要:以风电场选址查勘时实测的风速和海拔高度为基础,适当利用气象统计资料,提出一套选址阶段风电场风能参数估算方法。

风能参数包括:年平均风速、空气密度、W eibull 分布参数c 、k 、年平均风功率密度、风能可能利用小时、风能有效利用小时、年有效风功率密度等。

关键词:选址阶段;风能参数;估算方法
中图分类号:TK 81 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2007)01-0030-03
在风电场选址实地查勘时,可用测风仪测得当
地、当时的风速和风向,用G PS 确定当地的海拔高度和经纬度。

以上述实测资料为基础,适当利用当地气象统计资料,以估算选址阶段风电场的风能参数。

本文的风能参数统一为10m 高度的风能参数。

1　年平均风速估算
年平均风速是风电场风资源的主要参数,也是本估算方法赖以推算其它参数的基础。

111　风速换算
为了与当地气象统计资料的基础相一致,将测
风仪测得的风速(高度约2m ),换算成10m 高度的风速。

风切变公式如下:
v ij 10=v ij 2(z 1Πz 2)a
(1)
式中:v ij 10—第i 月某日第j 小时的10m 高度的风
速,m Πs ;
v ij 2—第i 月某日第j 小时的2m 高度的风速,
m Πs ;
z 1—风测仪高度,z 1=2m ;z 2—气象站风测仪高度,z 2=10m ;
a —风切变指数。

测风时的天气状况对判定风况的代表性至关重要。

测风日应选择在晴天,无雾、冰、雪、霜等特殊水汔凝结现象,也无特种气流过境的影响。

手持测风仪测得的数据为1分钟的平均风速,往往不能代表小时的平均风速。

为此要增加测风次数。

每次测风要有适当的间隔,取多次测风值的平
均值作为该小时的平均风速。

其次,风电场范围较大,最好在几个具有控制性的位置同时测风,取多点测风值的平均值作为拟建风电场该小时的平均风速,以全面反映风况。

我省干、湿季与大风季、小风季是对应的:干季为大风季,湿季为小风季。

因此,应在大风季和小风季分别测风,才能比较准确把握全年风况。

我省风的日内变化风速低值往往出现在上午10～12h ,风速高值往往出现在下午15～18h 。

因此,应在上述时间分别测风才能比较准确把握全日风况。

我省缺乏山区测风资料。

据少数测风塔短期测风资料计算的不同高度的切变指数,缺乏变化规律,有的甚至相差达一个数量级,有些高度间甚至出现“负切变”现象。

估算中可根据风电场的植被、地形和气流稳定度等因素,酌情选取切变指数。

当风电场建于山脊时,建议切变指数在0.01～0.05范围内选取。

112　月平均风速计算
从风电场附近气象站可得到该站各月日内各小时风速多年平均值资料。

将第i 月各小时风速平均值和日平均值换算成以日小时风速平均值的最大值的百分数,查出第j 小时风速和日平均值的百分数k 1、k 2,按下式求出第i 月平均风速:
v yi =v ij 10Πk 1×k 2　(m Πs )
(2)
式中:v yi —第i 月平均风速(m Πs );
k 1—第j 小时风速(%);k 2—日平均风速(%)。

113　年平均风速
3
云南水力发电
Y UNNAN W ATER POWER
第23卷
第1期
Ξ收稿日期:2006-11-16　作者简介:洪祖兰(1934-),男,浙江宁波人,教授级高工,主要从事水能利用规划工作。

从风电场附近气象站可得到该站各月平均风速多年平均值资料,将月平均风速和年平均值换算成月平均风速最大值的百分数,查出第i月平均值和年平均值的百分数k
3、k
4、按下式求出年平均风速:
v n=v yiΠk3×k4,(mΠs)(3)
式中:v
n—年平均风速
(mΠs);
k3—第i月平均风速(%);
k4—年平均风速(%)。

风速的日过程和年过程具有较强的地域性。

将平坝气象站的风速日过程和年过程用于山区风电场,存在误差。

如果有海拔和地形等条件与拟建风电场比较相似的风电场的风速日过程和年过程资料,则应首先使用该风电场的风速过程资料,推求拟建风电场的年平均风速。

实践中,也可利用树木永久变形程度估算年平均风速,详见参考文献4。

114　年平均风速的修正
上述年平均风速估算方法存在如下问题:①实测风速受种种条件限制,只能部分反映风电场的风况。

②实测风速只是该年该月该小时的风速,套用多年平均的风速日过程和年过程模式,推求拟建风电场的年平均风速,存在误差。

③引用资料的气象站海拔和地形等条件与拟建风电场的条件存在差别。

以上问题在选址阶段难以避免。

为了使估算数字更接近实际,可酌情进行修正。

修正系数建议在0.9～1.10范围内选取。

2　空气密度估算
计算空气密度的公式有多种形式,繁简程度不同,所需参数多少各异,其准确度也不一样。

通常参数愈多,成果愈准确。

现按繁简顺序列出四种公式,可酌情选用。

(1)ρ=〔1.276Π(1+0.00366t)〕〔(p—0.378e w)Π1000〕(4)式中:ρ—空气密度(kgΠm3);
p—年平均气压(hpa);
e w—年平均水气压(hpa);
t—年平均空气温度(℃)。

(2)ρ=pΠ(RT)(5)式中:R—气体常数,287jΠkg・k;
T—年平均空气开氏绝对温度(t+273)。

(3)ρ=(353.05ΠT)e(-0.034zΠT)(6)式中:z—风电场海拔高度,(m)。

(4)ρ=1.225×e(-0.0001z)(7)
选址阶段往往缺乏拟选风电场的p、e
w、t等数据,而仅有用G PS确定的海拔高度z数据。

某风电场用(7)式计算的值比用(5)式计算的值仅大2.68%。

建议选址阶段采用(7)式计算空气密度。

3　Weibull(温布尔)分布参数估算
Weibull分布的形状参数k和尺度参数c,是估算风功率密度和利用小时必需的参数。

据我省83个气象站统计资料,并加入部分测风塔数据,计算得到k-v
n
、c-v
n
、c-k相关曲线见图1、2、3,相关方程式如下:
k=0.2335v n+0.6394 (R2=0.8839);(8)
c=1.1536v n-0.2332 (R2=0.9974);(9)
c=4.4328k-2.8186 (R2=0.9088)。

(10)
以上相关方程式参数间相关性较好,可供选址阶段使用。

据以上相关方程式,k、c估算步骤如下:
(1)用v
n代入
(8)、(9)式得到k、c;
(2)用(10)式校核求出的k、c;
(3)用下式校核求出的k、c:
c=v nΠГ(1+1Πk)(11)式中:Г—伽马函数,可查表。

(4)分析比较几种方法求出的k、c值,确定采用值。

k值大致在1～3的范围内变动。

当k=2时, Weibull分布与Rayleigh(瑞利)分布相同。

图1　V～K
相关图
图2　V～C相关图
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洪祖兰　风电场选址阶段风能参数估算方法
图3　K～C相关图
4　年平均风功率估算
估算公式如下:
w=1Π2×〔ρc3Г(3Πk+1)〕(12)式中:w—年平均风功率密度,(wΠm2)。

5　风能有效利用小时估算
估算公式如下:
t e=8760{e-(v1Πc)k-e-(v2Πc)k}(13)式中:te—风能有效利用小时(h);
v1—切入风速v1=3～4(mΠs);
v2—切出风速v2=25(mΠs)。

若v
1取最小风速,v2取最大风速,用上式即可求出风能可能利用小时,通常接近8760。

6　年有效风功率密度估算
(1)用Weibull分布概率密度函数,计算各档风速的出现概率,计算公式如下:
f(v)=kΠc×〔(vΠc)k-1〕e-(vΠc)k(14)
若k=2,则可用Rayleigh分布概率密度函数公式计算各档风速的出现概率,计算公式如下: f(v)=πΠ2×(vΠv2n)e-πΠ4×(vΠv n)2(15)式中:f(v)—概率密度函数;
v—风速(mΠs)。

(2)求各档风速V
i
年出现小时数。

计算公式如下:
Δh
i =8760×f(v i)(16)
式中:h
i
—风速v
i
年出现小时数,(h);
f(v i)—风速v i年出现概率。

v i—风速,(mΠs),自切入风速至切出风速范围
内取值,间隔可取1mΠs。

(3)求各档风速能量。

计算公式如下:
E i=1Π2×ρ×v3i×Δh i(17)
式中:E
i—各档风速v i能量,
(w・hΠm2)。

(4)求年有效风功率密度。

计算公式如下:
w e=ΣE iΠΣΔh i(18)
式中:w
e—年有效风功率密度,
(wΠm2);
ΣE
i—自切入风速至切出风速范围内各档风
速能量之和,(w・hΠm2);
ΣΔh
i—自切入风速至切出风速范围内各档风
速年出现小时数之和,(h)。

如果将v
i取值范围扩大至最小风速～最
大风速,即可求出年平均风功率密度w,成果
应与(12)式计算成果相同。

7　风能参数汇总表
将计算的风能参数汇总如表1。

风电场风能参数汇总表
指 标单位数　值备　注
年平均风速v n mΠs
空气密度ρkgΠm3
W eibull分布参数c
W eibull分布参数k
年平均风功率密度w wΠm2
年有效风功率密度w e wΠm2
风能有效利用小时te h
风能可能利用小时t h
风功率密度等级
参考文献:
〔1〕　云南省发改委,云南省农业气象卫星遥感应用中心1云南省风
能资源评价报告〔R〕1昆明:20051
〔2〕　G BΠT18710-2002,风电场风能资源评估方法〔S〕120051
〔3〕　熊礼俭1风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准
使用手册〔M〕1中国科技文化出版社,20051
〔4〕　包金山1大理30MW风电场初探〔Z〕,云南水电技术〔A〕,2006,
(2)1
23 云南水力发电 2007年第1期。