海上风能资源测量和评估的若干问题-培训教材打印版本

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：
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
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%.........
——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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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
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
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
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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
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
• 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
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 )
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
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
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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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)
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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)
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
-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)
增大5-7度
Fg
海面＋黑格比
10
-1
频 率 (n)
10
0
10
1
wwΒιβλιοθήκη
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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
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
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）
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