利用区域气象站资料进行风能资源评估研究

吕校华,贺捷颜,王楚凤,李文明

(1.湖南省邵阳市气象局,邵阳 422000;2.湖南省隆回县气象局,隆回 422200)

利用区域气象站资料进行风能资源评估研究

吕校华1,贺捷颜1,王楚凤2,李文明1

(1.湖南省邵阳市气象局,邵阳 422000;2.湖南省隆回县气象局,隆回 422200)

简述国内风能资源的开发现状和分布状况,及湖南省区域气象站建设情况。以新宁县黄金气象站为例,统计各种风能参数,分析风能与天气的关系,介绍利用区域气象站资料进行风能资源评估的方法。结果发现,强冷空气入侵时,风速激增,风力加大,风能增至8.3倍以上;强降水时,风速增大,平均风能增至2.4倍。

黄金气象站;风能资源;参数;天气

1 引言

在自然界中,风能是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。开发利用风能资源既可减少环境污染又能节省煤、水等资源,风能作为一种清洁的可持续发展能源,已成为替代能源之一。随着全球气候变暖和能源危机,各国都在加紧对风能的开发和利用,尽量减少二氧化碳等温室气体的排放,保护我们赖以生存的地球。目前,世界各国对风能开发相关产业都出台了政策优惠并进行产业保护,对上网风电进行直接补贴。我国的风能开发虽然起步较晚,但发展迅猛,特别是在2005年《可再生能源法》颁布实施以后,几乎是年年成倍增长,目前已跃居世界第五风电大国。据统计[1],目前累计装机容量达604×104kW,同期全球累计装机容量为9400×104kW,而世界排名第一的德国装机容量为2230×104kW。各大能源企业和投资商都在寻找风电场、都在圈地树旗。

我国的风能蕴藏丰富。2004～2005年,中国气象局组织了第三次全国风能资源普查,结果表明我国陆地10m高度层风能资源理论可开发储量为43.5×108kW、技术可开发量为2.97×108kW。风能资源普查是根据全国近2400个国家气象站的风能资源观测资料计算分析而来的[2]。根据普查结果,我国风能资源较丰富地区主要在北方(东北、华北、西北)、东南沿海地区与岛屿以及近海海域。2006年国家气候中心采用数值模拟方法对风能资源进行评价表明:在不考虑青藏高原的情况下,全国陆地上离地面10m高度层风能资源技术可开发量为25.48×108kW。我们知道,国家气象站网是按行政县来布设的,大多数台站位于县城或城郊,其分布密度为50～100km。这在北方,由于都是高原或平原,一坦平地,风的局地变化很小,国家气象站的测风基本能反映整个近地层风速状况。而在南方,特别是华中、华南和西南地区,都是丘陵与山地,地形复杂,高差悬殊,风随高度的变化很大,而国家气象台站海拔在200～300m,这样进行的普查容易漏掉风能丰富区。若能直接利用1000m以上的山地的风观测资料进行风能评估,其意义非同一般。

2 区域气象站建设概况

2005～2008年,湖南省气象局组织在全省建立了由2127个区域气象站组成的中小尺度天气灾害监测系统[3]。这些站点基本按照10km×10km的网格密度布局,覆盖到全省乡镇一级。站点位置的环境均符合气象观测技术要求。观测的气象要素有降水、气温、风向风速、气压、相对湿度等。所采用仪器设备为天津气象仪器厂生产的ZDZ系列自动站和江苏省无线电科学研究所有限公司生产的ZQZ系列自动站,均符合气象行业标准[4～6],并经中国气象局的严格测试后获得了气象装备许可。采用太阳能或交流电供电,每5 min观测一次并保证每个正点观测一次所有要素,观测资料通过 GPRS无线网络实时传输到中心站服务器。中心站服务器还可对每个自动站进行对时。仪器投入使用后,由各级气象部门按要求进行维护和校准工作,保证仪器的测量准确性。

3 黄金站点介绍

黄金区域气象站安装在新宁县黄金牧场内,海拔1 294 m(新宁县气象局观测站海拔306 m)。黄金牧场属于新宁县黄金乡,地处湘桂边界越城岭北麓,雪峰山脉南端,地域面积达2.3×104hm2。地形地貌以高山台地丘状山原为主,平均海拔1 200 m,最高1 500 m。植被覆盖率达95%以上,以牧草、灌木为主。测风设备安装在离地10 m高的风杆上(只一个层次),观测2 min平均风向风速、10 min平均风向风速、瞬时极大风。风向以度为单位,精确到1度;风速精确到0.1 m/s。

该站于2006年11月安装并投入使用,至今运行正常。

4 数据资料的准备与处理

4.1 建立数据库结构

区域气象站资料上传到中心站后,保存在M SSQL数据库中。从中提取我们需要的有关风的数据另存入数据库,为此先建立风能数据库。在此,我们仍选用MS-SQL 2000数据库[7]。若使用其他类型数据库,以下的方法基本类似。

新建数据库,名为W IND。再新建两个表,名称分别是整点资料和分钟资料,表结构相同,定义如表1。

表1 整点和分钟风资料Table 1 Wind data at hours and minuteson the dot

并设置区站号和观测时间两个字段为关键字,确保无重复记录。区站号是气象部门对所辖气象台站采用5位字符进行编码的编号,如黄金站的区站号为P 6581。可信度值域为0～10,0表示完全不可用,10为可用。默认值为10。设置可信度字段是为了在4.2节中数据处理和审核中作相应标识。各风速值已扩大了10倍变成了整数存储。

4.2 数据处理——整理出两年的资料

在气象行业中,采用每小时的51分～00分这10 min平均风速作为这1 h的风速,这10 min的最多风向作为该小时的风向。因此,我们从区域气象站数据库中将观测时间为00分的数据导入到W IND库中的整点资料表,而将非00分的导入分钟资料表中。资料时间序列长度至少1 a。导入记录后检查资料的缺漏情况,如某小时缺数据,则可以用该小时正点前20 min至正点10 min记录代替,如10时缺就是从分钟资料表中查找9点40到10点10分之间靠近10点00分的记录代。然后对记录进行合理性检查。如对风速小于0或者大于40 m/s或风向不在0°～360°之间的野值进行剔除。之后对记录的突变情况分析,结合分钟资料,如正点风速与前后10 min的风速相差达6 m/s以上时,可认定该小时风速存在突变,需对照2 m in风速与极值等进一步分析或用其他记录代替。对于可剔除的记录其可信度设为0,对于存在突变的记录设可信度0～10之间。经过这几步处理后,计算两年内的有效数据完整率。完整率应大于90%。

5 风能参数的计算及制图

5.1 各月平均风速与年平均风速

统计得到站点2007～2008年各月及年平均风速如表2。

表2 2007～2008年各月及年平均风速Table 2 Monthly and annual average w ind speeds during 2007～2008

从表2可以看出,黄金牧场1月、2月、4月、11月风速偏小,5～8月和10月、12月风速偏大,最大风速出现在7月。

5.2 风速频率分布

统计得到2007～2008年各月各等级风速频率分布见表3。图1为对应的风速频率分布直方图。

表3 2007～2008年各月各等级风速频率Table 3 Wind speed frequencies fo r various w ind-scales during the months from 2007 to 2008

图1 风速频率分布直方图Fig.1 Wind-speed&frequency distribution histogram

从表3分析,2～5 m/s风速出现频率最大,分别占15.45%、13.81%、14.02%、12.85%。4 m/s及其以上风速出现时间达5 000 h,6 m/s及其以上风速出现时间达4 225 h,8 m/s及其以上风速出现时间达2 776 h,10 m/s及其以上风速出现时间达1 668 h。

5.3 风向频率分布

统计得到2007～2008年各月的风向频率分布如表4。图2是对应的风向频率分布图。

从表4可以看出:以SW风为主导风向,出现频率分别为29%。次多和再次多风向为 ENE、WSW风,其中,次多风向出现频率分别为 16.25%、16.20%。

表4 2007～2008年各月的风向频率Table 4 Monthly w ind frequencies during 2007～2008

5.4 风速的日变化

统计得到的风速2007～2008年各月的日变化情况如表5。图3是对应的风速日变化直方图。

表5 2007～2008年各月的风速日变化Table 5 Daily variations of w ind speed during the months from 2007 to 2008

图3 风速日变化直方图Fig.3 Daily wind speed variations

从表5可以看出,13～23时风速均偏小,8～11时风速最大。总体而言,上午风速偏大,下午风速偏小。

5.5 风功率密度和有效小时数

计算得到风电场两测点各高度的年平均风功率密度、≥3 m/s有效小时数、有效风功率密度、年有效风能及风速频率分布Weibull模式拟合参数K、c值在表6中给出。

其中年有效小时数按实有资料统计为1 193 h,按完整率折算成全年为5 548 h。

表6 平均风功率密度、≥3 m/s有效小时数、有效风功率密度、有效风能及风速频率分布、Weibull模式拟合参数 K、cTable 6 Average w ind power density,≥3 m/s valid hours,valid w ind power density,valid w ind energy&w ind speed frequency distribution,Weibullmodel fitting parameters K,c

5.6 各风向风能分布

计算得到站点2007～2008年各月各风向风能分布如表7。图4是相应的各风向能量分布百分比频率图。

表7 2007～2008年各月各风向风能分布Table 7 Monthly distribution of w ind direction and w ind power during themonths from 2007 to 2008

图4 风向能量玫瑰图Fig.4 Wind energy rose-shaped diagram

可以看出:以SW风的能量所占比例最大,占36.06%,次多能量风向为 WSW风,再次多能量风向为 ENE。几个主导风向占总能量的90%以上。偏北风和偏南风向能量最小,都在1%以下。

5.7 有关制图

在风能评估中要对各种风况参数进行制图。制图主要有3种:曲线图、直方图和风玫瑰图。而这几种图其实都可以用 EXCEL软件轻松制作。打开EXCEL软件的图表向导,柱形图就对应直方力,折线图就是曲线力,而雷达图就是我们说的风玫瑰图。具体制作方法可参阅EXCEL操作手册[8]。

6 风能与天气的关系

6.1 风能与强冷空气或寒潮的关系

由于2007～2008年邵阳市没有寒潮过程,本文选择2007年4月的一次强冷空气过程来讨论。2007年4月1～3日,受强冷空气的南袭,邵阳地区自北向南出现了强降温天气过程,各县(市)48 h降温幅度都达18℃以上,48 h最大降温幅度达21.3℃(武冈),最低气温达4.5℃(城步)。这次强降温天气过程降温幅度大,遍及九县(市)三区。由于降温幅度大,冷空气势力强,引起风速加大。计算得到4月1日21时～4月2日20时,新宁县黄金牧场自动站每小时的风速见表8。

表8 4月1日21时～4月2日20时黄金牧场自动站风速Table 8 Wind speeds at Huangjin Station from 21∶00 on Ap ril 1 to 20∶00 on Ap ril 2

根据表8计算出4月2日的平均风速为7.89 m/s,利用风能公式:W=1/2gρAV3(kg·m/s) 。式中,A为空气流动面积(m2);V为风速(m/s);ρ为空气密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2)。计算4月2日的平均风能并与4月份的平均风能进行比较。4月2日平均风能W1=245.6gρA,4月份平均风能W2=29.7gρA,W1/W2=8.3。可见当有强冷空气或寒潮入侵时,风速激增,风力加大,风能增大到原来的8.3倍以上。

6.2 风能与强降水的关系

2008年10月31日～11月7日,邵阳市自北向南先后出现了两次强降水天气过程(4日为间隔日无降水),全市普降大到暴雨,部分暴雨。这两次降水过程降水量新宁县最少有141.3 mm,洞口县最多有245.6 mm,全市平均降雨量200.1 mm。对比历史同期资料,如此秋季暴雨为51 a来之最。计算得出11月1日21时～2日20时,新宁县黄金牧场自动站每小时的风速见表9。

表9 11月1日21时～2日20时黄金牧场自动站风速Table 9 W ind speeds at Huangjin Station from 21∶00 on November 1 to 20∶00 on November 2

由表9可得11月1日21时～2日20时黄金牧场自动站平均风速为4.5 m/s,根据风能公式计算出11月1～2日的平均风能为W1=46.6gρA,而11月份的平均风能为W2=19.7gρA,两者之比为2.4倍。可见当有强降水发生时,风速增大,平均风能也增大,其数值增大到原来的2.4倍。

7 小结

(1)区域气象站的布局密度远大于国家气象台站,数量众多。其应用非常广泛,如灾害性天气的监测与防御、小气候考察、生态气象监测及干旱监测等。本文将其应用于风能资源开发,以往有关专家因为资料的缺乏而认为南方丘陵区域风能资源贫乏(不是丰富区)的说法是不正确的。对在南方、西南地区等丘陵区域寻找潜在的风电场及风能资源开发,意义非常深远。

(2)目前已有风能评估的专用软件。这些软件的功能包括了风观测资料的处理、风况参数的计算以及各种图表的制作等,非常专业化。但这些软件是与测风设备配套使用。同时由于其使用了专用的数据格式,而无法对众多的气象观测资料进行分析。而采用本方法,软件使用很简单(即使自行编制软件也可行),只要导入数据资料,轻点鼠标就可完成各种参数的计算,结合EXCEL就可制作精美的图表。

(3)如前所述区域气象站在布点时不完全考虑测风的需要,其要对小范围区域有一定的代表性。因而,区域气象站不是安装在山顶等风最大的地方。如本例中,黄金气象站就安装在半山腰,其东南方和北面就有山阻挡,其风速明显小于山顶。实地对比也确实如此。因此,采用区域气象资料进行风能评估,其结果还是比较保守的。

(4)强冷空气或寒潮、强降水、大风等天气出现时,会使平均风能猛增。

(5)风能评估工作中,对有效数据的完整率非常重要,其直接关系到计算结果的可信度。而完整率取决于区域气象站的正常运行。2008年元月的冰雪灾害引发停电导致了南方大片区域气象站长时间停止工作。本例中,2008年1～3月缺资料,用2007年同期资料代替。

[1] 李俊峰,高虎,王仲颖,等.中国风电发展报告2008[M].北京:中国环境科学出版社,2009.

[2] 中国气象局.全国风能资源普查评价技术规定[S].北京:气象出版社,2004.

[3] 湖南省中小尺度灾害性天气监测站网建设方案[G].

[4] 中国气象局.气象行业管理若干规定[S].北京:气象出版社,2005.

[5] 地面气象观测规范第17部分(QX/T61-2007):自动气象站观测[S].北京:气象出版社,2007.

[6] 风电场风能资源测量方法(GB/T 18709-2002)[S].2002.

[7] 郑阿奇.SQL Server教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[8] 王艳红.中文Excel2003入门与实例教程[M].北京:电子工业出版社,2005.

ASSESSM ENTOFW IND ENERGY RESOURCES USING REGIONAL W EATHER STATIONDATA

Lv Xiao-hua1,He Jie-yan1,Wang Chu-feng2,LiWen-ming1
(1.Shaoyang Meteo rological Office,Shaoyang 422000,China;2.Longhui Meteorological Office,Hunan,Longhui 422200,China)

A first summary is given of the development statusof China’swind energy resources,their distribution,and regional-weather-station building in Hunan.Taking Huangjin Station in Xingning as the experiment target,various w ind energy parameters are considered in analyzing the relationship between w ind energy and weather,thus to introduce themethod of assessing w ind energy resources by using data from regional weather stations.The results showed that the strong cold air intrusion increases the w ind energy to 8.3 times the original and that heavy rainfalls bring it up to 2.4 times the original.

Huangjin station;w ind energy resources;parameters;weather

P49

A

1006-4362(2011)02-0111-05

2010-09-09 改回日期: 2011-01-06

吕校华(1963- ),男,高级工程师,研究方向:天气气候。