天津滨海新区风资源特征分析_杨艳娟

[3] [2] 8 [1] 8
迅速。由于风的局地性特征非常强，现有的气象台站风观测远不能满足风资源评
估和风电场选址的要求。为此，天津市气象局在天津沿海的滨海新区（包括汉沽、塘沽、大 港 3 个区县）设立 3 座测风塔，分别位于汉沽大神堂（100m 高） 、塘沽中新生态城（70m 高） 、 大港油田（70m 高） ，建成专业风能资源观测网（图 1） ，以满足风能资源开发利用的需要。 本文根据 3 座测风塔整一年观测结果， 对滨海新区风能资源及开发潜力进行初步分析， 以期 为天津风能资源的进一步开发利用提供依据。
引言
随着全球经济的稳步增长，能源消耗量不断增加，能源紧缺是一项重大课题。开发新能 源，鼓励新能源产业发展日益受到高度重视。其中，风能作为一种可再生的清洁能源，以其
基金项目：发改委和财政部“全国风能资源详查和评价”专项。 作者简介：杨艳娟，女，1979 年生，硕士，工程师。主要从事气候分析、气候变化和气候应用研究。 E-mail：yangyyj1979@。
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表1 3座测风塔各高度年平均风速
高度/m 10 30 50 70 100 汉沽大神堂/m/s 4.6 5.4 5.7 6.0 6.4 塘沽中新生态城/m/s 4.0 4.9 5.1 5.5 大港油田/m/s 4.2 5.2 5.6 6.1
图2为各测风塔在测风期间各高度上平均风速年变化情况。 从图2可以看出， 各测风塔各 高度月平均风速变化规律一致。春季平均风速最大，尤以4月最为突出，3座测风塔70m高度 平均风速达7.2～7.8m/s，秋季其次，夏季最小，尤其是8月，70m高度平均风速仅为3.9～ 4.4m/s。风速的年变化与该地区环流形势密切相关，春季引起风的天气系统较多，东北低压 频繁出现， 也常受到华北平原地形低压槽的影响， 还受到大陆上的变性冷高压东移入海再度 加强后的影响， 故而风速大且出现大风天气的频率高； 夏季受西北太平洋副热带高压系统边 缘影响，多形成南高北低的气压场分布，风速较小。
[10-11]
。同时，近地层任意高度的风速，可根据风切变指数和
仪器安装高度测得的风速推算出来，用以估算风机轮毅高度处的风况。 通过对天津滨海新区3座测风塔风切变指数（表3）分析可见，风切变在大港油田最大， 汉沽大神堂最小，且各测风塔中冬季风切变最大，夏季最小。因3座测风塔均建在沿海的滩 涂上，植被较少，故冬、夏季下垫面特征相差不大，造成风切变季节差异的主要因素应与大 气层结状态有关。
表 3 3 座测风塔风切变指数α
秋 汉沽大神堂 塘沽中新生态城 大港油田 0.150 0.177 0.224 冬 0.178 0.209 0.238 春 0.126 0.144 0.163 夏 0.079 0.103 0.141 年 0.135 0.159 0.190
2.4 风速频率分布
3座测风塔各层风速频率分布规律一致，波峰（即风速频率的最大值）由低层至高层向 大风方向偏移，即高层风频集中的区间风速较大，这也是风速随高度增加的一种体现。由于 目前风机轮毂高度多在70m左右，本文给出了70m高度风速频率分布（图4） 。可看出3座测风 塔风速频率分布较一致，3～7m/s风速频率较大，均超过10%，5～6m/s风速频率达最大。这 种风频分布对风电开发比较有利，风速频率比较集中，且破坏性风速出现的频率极低，这对 风机的运转极为重要。
10
平均风速 /m/s
8 6 4 2 0 0909 11 1001 3
月份 10m 30m 50m 70m 100m
5
7
8
平均风速 /m/s
6 4 2 0 0909 11 1001 3
月份 10m 30m 50m 70m
5
7
8
平均风速 /m/s
6 4 2 0 0909 11 1001 3
月份 10m 30m 50m 70m
天津滨海新区风资源特征分析
杨艳娟
1
（天津市气候中心， 天津 300074）
摘要：风能资源是可再生的清洁能源，具有广阔的开发前景。天津滨海新区处于中国沿海风带上，风资源 较好，开发利用前景广阔，风电产业发展迅速。由于风的局地性特征非常强，现有的气象台站风观测远不 能满足风资源评估和风电场选址的要求。为此，天津市气象局在天津沿海的滨海新区（包括汉沽、塘沽、 大港 3 个区县）设立 3 座测风塔，建成专业风能资源观测网，以满足风能资源开发利用的需要。本文利用 天津滨海新区 3 座测风塔整一年测风资料，在对测风资料进行插补订正后，计算了风速、风频及垂直变化 特征等，并给出了风功率密度、风能密度等风能资源参数，得到了滨海新区风资源特征。结果表明，滨海 新区 70m 高度年平均风速为 5.5～6.1m/s，风速随高度增加明显增大，故可以通过提高塔架高度来提高风 资源利用率；春季风速最大，夏季最小；3～7m/s 的风速出现频率较高；主导风向为西北风、东南风和西 南风。天津滨海新区平均风速虽然不是很高，但风频分布比较适合，具有稳定的主导风向，风的质量很好， 且有效小时数高，风资源可利用时间较长。同时风速变化较为平稳，很少有破坏性的风速，在这种风况下， 风机的设计和运行都非常经济。3 座测风塔中，大港油田和汉沽大神堂风资源较好，若单纯以资源大小来 评价，这两地建设大型风电场更为合适。沿海风速随离岸距离增大而迅速衰减，因此可开发的风能资源仅 限于沿海地区，但受到土地利用等限制，陆上大型风电场的潜在场地越来越少，开发能力有限。天津地处 渤海湾，近海海域有着丰富的风能资源，但海上气象观测站点少，观测资料匮乏，风能资源评估困难，因 此应在此基础上，研究海上风能资源评估方法，为海上风电开发提供科学依据。 关键词： 风能资源；测风塔；天津滨海新区
8.0
平均风速 /m/s
[9]
7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
时次
1
100m
7
平均风速 /m/s
6 5 4 3 2 0 2 4 6 8 10 12
时次
10m
30m
50m 14 16
70m 18 20
100m 22
向频率。可看出虽然各塔各方位风向频率不尽相同，但基本存在3个方位的主导风向，分别 为西北风、东南风和西南风，在这3个方位的风向频率均可达到50%以上，因此在风电场建设 过程中，应考虑到风向的集中方位来进行风机的布局及排列走向。
表 2 3 座测风塔风向频率
风向 汉沽大神堂/% 塘沽中新生态城/% 大港油田/% N 3.8 3.5 4.4 NNE 2.9 2.5 4.1 NE 4.2 3 4.2 ENE 6.8 4.8 7.7 E 8.3 7.1 8.4 ESE 6.9 7.2 7.7 SE 5.9 6.5 8.1 SSE 7.6 8.3 4.8 S 8.4 8.3 6.4 SSW 7.2 6.7 10.6 SW 6.6 7.1 8.7 WSW 5.5 6.6 5.2 W 4.8 6.6 3.9 WNW 6.3 6.8 4 NW 9.7 9.3 5.8 NNW 5.2 5.7 6.2
图 1 天津市风能资源详查区及测风塔位置图
1 资料和方法
1.1 资料
天津滨海新区位于天津东部沿海，3 座测风塔均建在沿海的滩涂上，周围地形较开阔， 测风环境较好，能够代表所在区域的风况特征。
本文采用3座测风塔2009年9月～2010年8月整一年逐时10min平均风观测资料， 风速有效 完整率分别为92.7%、95.5%、96.0%，缺测和错误资料利用相关性原理（同塔或异塔风速资 料之间的相关，相关系数至少通过0.05信度检验）进行了订正。 由于实测风资料仅为1年，需要分析这些风资料的可用度，因此，本文选择具有代表性、 近20年来观测环境较好的天津气象站作为参考站， 与测风资料作对比分析。 天津气象站近20 年(1991～2010年)平均风速为2.35 m/s，观测年度平均风速为2.38m/s。测风塔测风期间， 天津气象站的风速与累年平均风速相差不大， 说明测风塔测风是在年平均风速与常年平均风 速较为一致的条件下进行的， 测风塔测风时段具有较好的代表性。 3座测风塔70m高度日平均 风速与同期气象站日平均风速的相关系数分别为0.786、0.852、0.793，均可通过信度0.01 的显著性检验，说明测风塔观测资料能够反映当地风资源特征。


式中，V2为高度Z2处的风速（m/s） ；V1为高度Z1处的风速（m/s） ，Z1一般取10m高度；
α为风切变指数， 其值的大小表明了风速垂直切变的强度。 风切变指数的大小对风机的设计
和选型至关重要，大的或极端风切变，会增大风机功率损失，也会对风机造成极大的风负载 和疲劳损失，影响风机使用寿命
蕴量巨大、分布广泛、没有污染等优势，受到越来越多的重视。风力发电是风能利用的主要 方式，随着风力发电技术的成熟和向大规模、大型化、产业化方向的发展，风力发电已成为 我国陆地上风能资源总储量达43.5×10 kw， 其中技术 目前世界上最引人注目的新型能源 。 可开发量为2.97×10 kw，风能资源高值区主要分布在包括西北地区大部、华北北部、东北 大部的北部风能资源丰富带、沿海风能资源丰富地带和青藏高原腹地 。沿海地区风能资源 丰富，盛行风向相对稳定，因此沿海风能资源开发是我国的一个重要战略选择，将是我国能 源战略调整的一个亮点 。 天津滨海新区处于中国沿海风带上，风资源较好，开发利用前景广阔，风电产业发展
7
平均风速 /m/s
6 5 4 3 2 0 2 4 6 8 10 12
时次
10m
30m
50m 14 16
70m 18 20
100m 22
图 3 3 座测风塔各高度风速日变化
2.2 风向频率分布
天津滨海新区地处渤海沿岸， 受海陆风及西太平洋副热带高压影响， 夏半年以东南风和 西南风为主，冬半年以西北风为主。因风向的垂直变化不大，表2给出了70m高度各测风塔风
2.3 风垂直变化
风力发电主要利用近地层中风的动能资源，在近地层中，风速随高度的变化显著，近地 层风速的垂直分布主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。 现行的国家标准——风电 场风能资源评估方法(GB/T18710—2002)，采用指数公式研究风随高度变化规律：其表达式 为：
Z2 V2 V1 Z 1
5
7
图 2 3 座测风塔各高度平均风速年变化
图3为测风塔测风期间风速日变化规律。可看出，各高度风速日变化规律并不一致，一 天中低层（10、30m高度）变化较一致，高层（50、70、100m高度）变化较一致。10～50m，
风速日变化振幅逐步减小，50m是风速变化最平稳的层次，70、100m风速日变化振幅又有所 增加。低层风速在16时前后最大，7时前后最小；高层风速在12时前后最小，夜间较大。风 的日变化与大气层结密切相关
[5-7]
，在天津地区，白天多为不稳定的大气层结 ，湍流混合
[8]
加强，上层动量更快地向下传输，使上下层之间风速差异变小，夜间大气层结多为中性和稳 定类，动量传输慢，上下层间风速差异相比较大，且各层风速随时间变化不大。 风速日变化的季节差异较大，本文以1月和7月分别代表冬季和夏季。7月，测风塔各高度 变化较一致， 风速差值也不大； 1月， 以50m高度为分界线， 高、 低层风速日变化基本相反 （图 略）。这是因为大气的湍流交换在夏季最强，高度可以达到几百米，冬季则只有几十米 。
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 <0.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 风速 /m/s 汉沽大神堂 塘沽中新生态城 大港油田
1.2 计算方法
本文所使用的各风能资源参数，均依据《全国风能资源评价技术规定》来进行计算。
2 测风塔观测数据分析
2.1 风速的年变化和日变化特征
由表1可见， 风速随高度增加明显增大， 3座测风塔10m高度平均风速为4.0～4.6m/s， 70m 高度平均风速为5.5～6.1 m/s。风速大小与离岸距离关系密切，已有研究表明，风速随离岸 距离的增大衰减明显 ，这在滨海新区3座测风塔与其所在的区县气象站之间的风速对比中 可看出。汉沽、塘沽和大港3个气象站10m高度年平均风速在2.4～2.7m/s之间，这与3座测风 塔10m高度平均风速相差甚远，说明从沿海向内陆，风速明显减小。