浙江省沿海海洋风能资源评估

姜 波，刘富铀，徐辉奋，马治忠，张 松

(国家海洋技术中心，天津 300112)

浙江省沿海海洋风能资源评估

姜 波，刘富铀，徐辉奋，马治忠，张 松

(国家海洋技术中心，天津 300112)

全球性的能源危机和气候变化，驱动了风力发电在世界范围的迅速发展，科学、准确地估算风能资源及其空间分布是国家对风能资源开发中一项极其重要的基础工作，是大规模发展风电的关键步骤。利用1997—2007年浙江省9个海洋站和2007—2008年4个临时观测站的气象要素，分别利用代表年和多年平均计算浙江省沿海风能资源状况，发现浙江省沿海和海岛风能资源丰富，可成为未来风能开发的重点区域。研究初步掌握浙江沿海的风能资源的分布规律，为合理开发利用浙江省的海洋风能资源和海洋功能区划修编提供一定理论依据和实用参考。

海洋风能资源；有效风时；风功率密度；GIS

随着全球能源危机的不断加剧和环境污染日益严重，对可再生能源进行研究与开发愈加凸显出重要性。其中，风能资源相对于不可再生的常规能源而言是清洁的可再生能源，由于其在减轻环境污染、减少温室气体排放、促进可持续发展的突出作用，越来越受到国家的高度重视。

浙江省在风能开发利用方面具有得天独厚的地理区位和自然条件。浙江位于中国东南沿海，介于27°12′N～31°31′N，118°E～123°E，海岸线长达 6 486 km，居全国首位，并且是中国海岛最多的省份，其中面积超过500 m2的有3 061个。浙江省属于亚热带季风气候，四季分明，年平均风速高，风功率密度大，是我国风能资源相对丰富区之一。

本文利用1997—2007年浙江省9个海洋站的历史气象观测资料和2007—2008年4个临时站的逐时风速、风向观测资料以及气温、气压等辅助要素资料，对浙江沿海和岛屿的风能资源的蕴藏量和分布规律状况进行了计算分析与研究评估。掌握风能资源，既具有很强的实用性，又可作为研究制定浙江海岸带风能资源开发利用规划的重要理论依据。

1 风能资源评估指标

风能资源评估主要考虑以下几个参数[1-2]。

1.1 平均风速

平均风速为给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。平均风速（VE）按下式计算：

式中：Vi为风速（m/s）观测序列；n为平均风速计算时间段内风速序列个数。

1.2 有效风时

有效风时即统计出代表年测风序列中风速在3～25 m/s之间的累计小时数。

1.3 风功率密度

风功率密度是与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，是衡量一个地区风能大小，评价一个地区风能资源潜力的重要参数。设定时段的平均风功率密度表达式如下：

式中：DWP为平均风功率密度（W/m2）；n为设定时段内的记录数；ρ为空气密度（kg/m3）；vi为第 i记录的风速（m/s）。

平均风功率密度DWP的计算应是设定时段内逐小时风功率的平均值，不可用年（或月）平均风速计算年（或月）平均风功率密度。空气密度ρ按式（3）计算：

式中：P为年平均大气压力（Pa）；R为气体常数（287 J·kg-1·K-1）；T 为年平均空气开氏温标绝对温度。

1.4 有效风功率密度

有效风速3～25 m/s间的风功率密度，为可利用的风功率密度。

1.5 风能资源总储量

风能资源总储量可按式（4）计算：

式中：n为风功率等级数；Si为年平均风功率密度分布图中各风功率密度等值线间面积；Pi为各风功率密度等值线间区域的风功率代表值。

1.6 风能资源区划

根据朱瑞兆等研究结果[3]，将风能分为4个等级，见表1。

表1 10 m高度风能区划指标

2 资料来源及计算方法

2.1 资料来源

一般认为5～10 a或10 a以上的观测资料就能比较客观的反映该地区的真实状况[4]。本次风能资源评估中，引用了浙江省9个海洋站1997—2007年和4个临时站2007—2008年观测资料，这些资料包括：

（1）各站点基本信息，包括站名、站号、经度、纬度、海拔高度等。

（2）各站点历年日最大风速、日极大风速、日最高气压、日最低气压、日最高气温、日最低气温等。

（3）各站点历年逐时风速、风向；逐日气温、气压（气温、气压资料每天4次，分别为2时、8时、14时、20时）。

2.2 计算方法

按照海滨观测规范的规定[6]，我国风站的风传感器离地面高度10～12m处；如安装在平台上，应距上层平台面6～8m，且距地面高度不得低于10 m。在计算各个地区的风能资源时，应把各海洋站风速统一换算到离地面10 m处的风速[7]。可按式（5）计算：

式中：V10为10 m高度处的风速；Vi为i高度（m）处的已知风速；kh为风传感器高度换算系数，列于表2。

在多年的长时间序列中，选取一个年平均风速等于或接近多年平均风速的年份，定义为平均风速年；选取年平均风速最小的年份，定义为最小值年；选取年平均风速最大的年份，定义为最大值年[1-2]。上述3个年份统称为“代表年”。本研究分别根据“代表年”和多年平均值来对风能要素进行计算，从9个海洋站1997—2007年观测资料分别选取了3个代表年份（不同的海洋站的代表年不尽相同），然后相加平均进行该海洋站的风能资源估算。结果表明：根据“代表年”和多年平均值来计算风能要素是十分接近的，其中年平均风速差异0～4%，年平均有效风功率密度差异0～7%，年有效风时差异0～1%。下面的研究结果都是根据多年平均值做出的。

表2 风传感器高度换算系数

对于4个临时站的观测资料，由于观测资料时长较短，不能很好地客观反映当地实际气候状况，因此，分别利用毗邻的海洋站资料与临时站的建立线形回归模型[8]，将4个临时站资料递推延长至1997—2007年资料。

3 浙江沿海风能分布特点

浙江沿海风能资源具有明显的日、季和年际变化。

3.1 风速的日变化

从浙江镇海和南麂岛代表月风速日变化曲线图（图1～图2）可以看出，镇海具有明显昼夜变化，日较差在2.5～3 m/s，风速在日间9～18时较大，13～16时达到最大值，夜间风速较小，除11月在22时风速最小外，其他各月凌晨4时风速最小；南麂岛则风速昼夜变化较小，日较差在0.5～1.5 m/s。

3.2 风能的季节变化

从图3～图4有效风功率密度和有效风时年变化曲线可以看出，浙江沿海地区风能季节变化明显，按四季来比较，冬季风能最大，秋季与春季次之，夏季最少。

3.3 风能的年际变化

从图5～图6可以看出，各地有效功率和有效风时年际变化显著，2000年风功率密度最大，2007年最小，其中逐年有效风功率密度相对于平均值有1%～27%的差异，逐年有效风时相对于平均值有0～11%的差异。

图1 镇海代表月风速日变化曲线图

图2 南麂岛代表月风速日变化曲线图

图3 浙江沿海代表站有效风功率密度年变化曲线图

图4 浙江沿海代表站有效风时年变化曲线图

4 基于GIS的浙江沿海风能资源空间分布

计算得到各海洋站和临时站的常年风功率密度和有效风时，代表了各观测站所在地区风能资源状况(图7)，但它们不能直观地反映浙江沿海风能资源的空间分布态势。为了评估无观测站地区的风能资源，需通过空间插值，如反距离权重插值（IDW）、Kriging插值、通过回归方程插值等。本文根据观测站的站位数据，利用IDW，在ArcGIS中对计算结果进行空间内插，得到浙江沿海风能资源分布数据，结果见图8。

图5 浙江沿海代表站有效功率年际变化曲线图

图6 浙江沿海代表站有效风时曲线图

浙江省沿海地区有效风功率密度最高值在台州市大陈，为427 W/m2，最低值为宁波市狮子口，为66 W/m2；有效风时最高的是温州市南麂，达到7 250 h，最低为狮子口，只有2 369 h。

从图8浙江沿海平均风功率密度可以看出：浙江省海洋风能主要分布在舟山群岛附近海域、嘉兴东部钱塘江口、宁波市北部海域、宁波市东部海域、台州市东部海域和温州市东南部海域。按照公式（4）可以估算浙江省50 m等深线以浅海域海洋风能资源总储量约为1.03亿kW。

5 结论与建议

本次浙江沿海地区风能资源评估采用了浙江省9个海洋站1997—2007年和4个临时站2007—2008年的气象观测资料，其结果可宏观地反映浙江沿海地区的风能资源分布状况。从评估结果可以看出：浙江省海洋风能主要分布在舟山群岛附件海域、嘉兴东部钱塘江口、宁波市北部海域、宁波市东部海域、台州市东部海域和温州市东南部海域。

浙江省海岸线长，岛屿众多，风能资源丰富，风能的季节变化又很符合浙江用电要求，冬、秋季是沿海地区风能旺季，恰好弥补了这时期由于干旱而致的水电不足，春、夏季是风能的淡季，而此时却是浙江的汛期，水电丰富；浙江省作为中国岛屿最多的省份，特别是温州、台州的岛屿大部分属于风能丰富区，舟山群岛也属于风能可利用区，因此，浙江沿海地区和海岛可以作为未来风能资源开发利用的重点地区。

图7 浙江各站年平均风功率分布图

现有风站的风测量仪离地面为10 m左右，如果要计算风机轮毂处的风能，只能按国家有关规范和技术规定[1-2]进行估算，其准确性受到一定制约。

[1]中国水利水电建设工程咨询公司.GB/T 18710～2002.风电场风能资源评估方法[S].北京：中国标准出版社，2003.

[2]气科院生态环境与农业气象研究所.发改能源[2004]865号.全国风能资源评价技术规程[S].北京：气象出版社，2003.

[3] 朱瑞兆,薛桁.风能的计算和我国风能的分布[J].气象学报,1981,7（8）∶26-28.

[4]张一民,沈才元,等.江苏省风能简便计算方法的研究[J].气象科学,1997,17(3)∶268-273.

[5]薛桁,朱瑞兆,等.中国风能资源贮量估算[J].太阳能学报,2001,22(2)∶167-170.

[6]国家海洋局北海分局.GB/T 14914～2006.海滨观测规范[S]，北京：中国标准出版社，2006.

[7]陈上及,马继瑞.海洋数据处理分析方法及其应用[M].北京∶海洋出版社,1991：393.

[8] 李泽椿，朱蓉，何晓凤，等.风能资源评估技术方法研究[J].气象学报，2007，65（5）：708-717.

[9]钱光明,罗金铃,等.广东省沿海风能储量及开发前景分析[J].广东气象,1998,4∶2-4.

Evaluation of the Wind Energy Resources in Zhejiang Coastal Area

JIANG Bo,LIU Fu-you,XU Hui-fen,MA Zhi-zhong,ZHANG Song
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112）

The global energy crisis and climate changing drive the quick development of the wind power in the world.It is the key of the large scale development wind electricity that making clear the wind energy resource.In terms of the 11a observation data from 1997 to 2007 of nine ocean stations and 2 a from 2007 to 2008 of four temporary stations in Zhejiang province,the annual mean wind power density were explored with the representative years and average for several years.The results show that the coastland and island in Zhejiang have abundant wind power resources and can become wind energy development of point district in the future.This research have certain of theories basis and practical value for reasonable development of the wind energy resources along Zhejiang coastal area and the fix plait of ocean function area row.

ocean wind energy resource;valid hours of wind;wind power density;GIS

P962

A

1003-2029（2012）04-0091-04

2012-04-16

我国近海海洋综合调查与评价专项资助项目（908-01-NY，908-02-05-01，908-01-BC21，908-ZC-Ⅰ-21，908-ZC-II-05，ZJ908-04-04，GD908-02-11）；海洋能专项资金资助项目（GHME2011ZC01）；国家软科学研究计划资助项目(2007GXS3B054)；质检公益性行业科研专项资助项目（10-210，200810807）。

姜波（1978－），男，硕士，助研，主要从事海洋可再生能源方向研究。