海上风能资源测量和评估的若干问题-培训教材打印版本

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登陆时中心最大风力15级 平均最大风速45.9m/s，极大风速(0.1s)为61.9m/s 登陆时中心附近最大风力达12级，10min平均最大风速32.7m/s
台风的涡旋式强风具有特别的边界层特征——导致其湍流强 度、湍流尺度、风功率谱以及风攻角等与常态风有显著差异
2008年9月24日 01:30～17:50
南中国海台风主要路径 （举例）
3、风能资源观测仪器设置
塔观测：接触式测量需关注的问题
观测塔高度：至少100m、台风影响海域应设置1-2座150m塔
——台风空间涡旋特征导致风机叶轮强剪切
仪器伸臂设置：冬夏两个主导风向、仪器伸臂加长和稳定性 测风仪安装：迎着主风向或垂直于主风向
重要性： 风洞试验和实际观测均证明了塔体对风的明显影响， 北京 325m高气象塔近10年的观测试验发现，塔的背风面风速相对于迎风面 的差值达23～30%.........
风攻角
2
10 10 10 10
96 10
攻角（°）
1
Fg
0
b(w)=-1.16 b(u)=-1.17 b(v)=-1.24 b=-5/3
-1
u v w
120
0 42 44 46 U [m/s] 48
0
24
48
72
-2
10
-2
144 样本序号
7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 0 24 48 72 96 120 144 样本序号
时间周期t的函数， t的最大周期T取为10.5s
10min 时间间隔内周期为 10.5s 的阵风风速最大变幅
σ1为纵向风速分量的标准偏差，对于IEC规定的A、B、C等3个类 别的标准等级风机， σ1是按照不同类型风机要求给出的确 定值，由下式计算：
Vgust应从实际测量取得，由于高频测风数据很难取得，IEC 给出了重现期为1年和50年两种概率的经验计算公式：
① 福建再建5座塔、可形成3个风观测剖面 ② 浙江再建3座塔、可形成2个风观测剖面 ① 江苏再建1-3座、可形成2 个风观测剖面 ② 山东再建4座、可形成2-3 个风观测剖面 ③ 辽宁新建1座、可与海岸塔 形成1个风观测剖面
依据：台风最多路径、并考虑台风风场结构和不
同海域的台风强度差异 我国历史台风路径（风速≥ 32.5m/s)
45°
黑格比 鹦鹉 纳沙
90° 12’38’’ 35’7’’ 92’8’’
120° 37’58’’ 187’53’
180° 66’36’’ 293’38’
3’’ 33’5’’ 3’’
台风过程中风向变化最快的时段出现在台风中心 经过前的强风区
台风的（主要）极端载荷参数
极端操作阵风
指风机轮毂高度处既定时距内的阵风风速变幅对特定类型风机的作用参数， 该参数涉及与风机运行工况相关的 1年一遇的阵风以及与风机生存相关的50 年一遇的概率风况，IEC推荐计算公式为：
1E-4 1E-3
频率 f(Hz)
频率f (Hz)
100
“黄蜂”
1000
拟合区间
无台风影响
10
拟合区间
b=-5/3
100
10
b(w)=-0.63 b(v)=-0.89 b(u)=-0.98 b=-5/3
1
0.1
1
0.1
u v w
0.01 0.1 1 10
0.01
u v w
0.01 0.1 1 10
1E-3 1E-3
湍 流 功 率 谱 密 度
功率谱 密度s(f)(m 2/s2)
功率谱 密度s(f)(m2/s2)
0.01 1E-3
频率 f(Hz)
100
频率f(Hz)
功率谱 密度s(f)(m2/s2)
10
2 2 功 率 谱 S(n) m /s
3
“黑格比”
b(w)=-1.16 b(u)=-1.17 b(v)=-1.24 b=-5/3 u v w 10
• 台风对风电机组的损毁——抗台风型风机？
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风电场台风风险评估问题
1949-2000年登 陆我国的热带气旋 (风速≥17.5m/s)
1949-2000年影响我国的台风（最大风速≥ 32.5m/s)
1949-2000年影响我国的强台风 (生命期中极大风速≥50.0m/s)——Ⅲ类
1949-2000年影响我国的热带气旋 (生命期中极大风速≥70m/s)：Ⅰ类
海面+ “黑格比”
风的湍流强度
尺度（m）
1200 1000 800 600 400 200 0 0 24
黑格比-海上
湍流积分空间尺度
海岸＋派比安
Lu Lv Lw
48
72
96
120
144 样本序号
功率谱 密度 S(f) (m 2/s2)
1000
/s 2)
“杜鹃”
拟合区间
100
无台风影响
10
拟合区间
100
数据的有效性和可操作性
依据：
海上风场分布特征——离岸风剖面 海上风场（初步）数模结果
国家级海上风能观测网设置
初选方案：利用现有企业建的塔， 再新建19-22座塔 可形成12个风况剖面
① 广东再建4座塔、可形成3个风观测剖面 ② 海南再建1-2座塔、结合岸边塔，可形成2个风观测剖面
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2012/3/22
气候资源开发与利用高级研修班
引言 海上风能资源测量和评估 的若干问题
宋丽莉 中国气象局风能太阳能资源评估中心 2012年3月 烟台
中国海洋国土面积：299.7万平方公里，其中，海南省 管辖约200万平方公里；我国海岸线总长度3.2万公里，名列 世界第三。其中大陆海岸线1．8万公里，岛屿海岸线1．4万 公里…… 我国海上风能资源丰富，中国气象局风能太阳能资源评 估中心的初步评估结果：我国近海5-50米水深范围70m高度 层风能资源技术开发量为5亿千瓦（全国陆地为26 亿千瓦)
台风观测：三维强风超声仪（强风型、高频动态采样） 塔体震动：选择代表塔设置震动测量仪器——订正观测数据
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遥感式测量：
遥感式测量的优势和不足
① 仪器选型：超声波、声波、激光等，需要考虑贴地层盲区、分 辨率（层高） ② 集成试验：与接触式（塔）观测的对比试验 ③ 基础选择：岛礁、塔架——需完全固定式 ④ 观测方式：宜采用短期观测——选择典型季节或天气型
增大5-7度
Fg
海面＋黑格比
10
-1
频 率 (n)
10
0
10
1
www.themegallery.com
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湍流强度
湍流强度
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 24 48 72 96 120 144 样本序号 Iu Iv Iw
湍流积分尺度——台风中心增大 派比安-海岸
约5年遇到1次
约20年遇到1次——约为Ⅱ
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58年遇到1次——Ⅰ类
风机的台风致损评估问题
台风涡旋式强风——风机偏航（解缆？）、抗风设计 ——极限风速下的抗湍流设计
台风“鹦鹉”观测设置——60m塔
N
强台风“黑格比”观测——海上100m观测塔
N
N
三 角 岛 海 岛 铁 塔
三角岛
海拔98m高的山地
海上风能资源测量小结：
海上风能资源测量的关键问题 ——观测数据质量 自立式塔的摆动 塔体遮挡 伸臂长度和稳定性 数据质量控制……
4、海上风能资源评估
中国气象局风能资源数值模式系统
基于海上实测数据的风能资源评估——测风塔的
代表范围、遥感式数据的可靠性 典型日筛选
SWERA/CMA WRF CALMET
1、海上风资源测量的主要手段
观测塔 测风雷达：声雷达、超声波雷达、激光雷达 卫星：多种卫星数据源
3000Q Wind Profile Radar Rain Gauge Temperature Sensor & Humidity Sensor Wind Speed Sensor Wind Direction Sensor
基于大气数值模拟的海上区域风能资源评估——
依据测风塔数据的检验订正、海陆交界处理
+
+
百度文库
GIS 空间 分析
1、从近30年历史资料中，选取典型天气：437～518天 2、数值模拟计算：水平分辨率1km 3、 GIS空间分析：扣除港口、航道、军事、其它规划功能区等限制因素
20年历史资料
全球再分析场 探空观测 地面气象观测
-2
无台风影响
拟合区间
b=-5/3
10 10 10 10 10
2
10
1
1
台 风 阵 风 系 数 玫 瑰 图
海上塔60m高度层
海上塔60m高度层
台 风 湍 流 强 度 玫 瑰 图
0
0.1
-1
0.01
u v w
0.01 0.1 1 10
-2
10
-1
频 率 (n)
10
0
10
1
1E-3 1E-3
频率f(Hz)
1
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2、海上风资源测量的观测布局
布局原则：以较少的观测投入，获取最科学、完整
的实况信息和可靠数据
观测点选址依据和作用：
① 考虑水深和离岸距离——考虑可操作性
① 在“海上风电场址规划”范围内——针对性 ② 风能资源和风险（台风、海冰…部分海洋观测内容）观测一体化考 虑——经济性 ③ 根据海上风场特性，按风速剖面分布设置观测——科学性+经济性 ④ 塔、雷达配合——完整性+经济性+先进性
兰色三角: 70m 红色三角：100m 粉红色圆: 120m
基于QuikSCAT卫星遥感反演 的海上风能资源
百米量级海上各高度 风能资源数值模拟评估 ——工程可用
QuikSCAT 2000-2007年平均风能密度
5、台风影响风险和风机致损问题 海上风能资源评估小结：
• 规划海上风电场的台风影响风险
科学地测量和适用的评估技术， 可大幅度减少海上风能资源评估成本
② 根据海上风场分布特征和海上风场（初步）数模结果 ③ 台风最多路径、并考虑台风风场结构和不同海域的台 风强度差异 ④ 充分利用海岸测风塔，形成完整风况观测剖面——对校
核和修正风能资源数值模拟结果更有价值
考虑水深和离岸距离 ——关系到观测成本以及观测
水 深 图
风场 分布
（初步 结果， 还需要 利用实 际观测 进一步 校准）
风的入流（攻）角：
海岛山地＋鹦鹉
高度（m）
100 80 60 40 20 0
台风登陆过程最大风速垂直廓线 120
风攻角
攻角（°）
过程最大风速 幂指数拟合
100
80
Hight [m]
60
40
20
7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2
50
10
2 2 功 率 谱 S(n) m /s
3
样本（间隔10分钟）
海岸塔70m高度层
海岸塔70m高度层
台风（强风）风向的快速变化——风机偏航（解缆？）
台风“鹦鹉”
强台风“黑格比”
台风过程中的风向变化最快时段出现在台风中心经 过前的强风区
台风过程中风向变化最快的时段出现在台风中心 经过后的强风区
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台风“纳沙”
台风（个例）强风时段，风向大角度变 换的时间（或时距）——称为风向转换速度
1.35 (Ve1 Vhub) 重现期为1年一遇： Vgust
1 Vgust 3.3 ( ) D 1 0.1 ( ) 1
重现期为50年一遇：
0t T otherwise
V ( z ) 0.37Vgust sin(3t / T )(1 cos(2t / T )) V (Z , t ) V (Z )
功率谱 密度S(f)(m
2
b(w)=-0.83 b(v)=-1.01 b(u)=-1.39 b=-5/3
1
b=-5/3
10
0.1
举例：台风眼壁强风区——不同下垫面作用，阵风系数、 湍流强度显著变化
10
1
0.01
0.1
u v w
0.01 0.1 1 10
1E-3
u v w
0.01 0.1 1
0.01 1E-3
引言（续）
我国可再生能源发展“十二五”规划：到2015年，海上风电 500万千瓦 国家能源局表示，我国将着力建设海上风电项目，预期2020 年成为海上风电“世界第一大国”（美国的“海上风能战略” 计划：到
2020年海上风电装机容量达到1000万千瓦，2030年达到5400万千瓦）
沿海各省：海上风电开发规划
目前，我国第二批海上150万～200万千瓦风电特许权项目招 标启动 目前，我国海上风电项目造价在2万元/千瓦左右（陆地平均 8000元/千瓦），海上风电场的前期费用高
主要内容
1. 海上风能资源测量的主要手段 2. 海上风能资源测量布局 3. 海上风能观测的仪器设置 4. 海上风能资源评估 5. 台风风险和风机致损问题
——技术流程
预报区域内2726个地面气象站的分布
全国风能观测网沿 海、海上观测塔、 卫星遥感资料 国家沿海、海岛气 象站50年历史资料
校验… 修正…
数模系统 WERAS /CWERA
地理信息资料
海岸资料 海岛资料……
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2012/3/22
中国风能资源专业观测网
基于星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR） 卫星图像的中国近海风资源评估初步结果