武汉云雾山风能资源定量评价及开发建议

文 | 方怡 陈正洪 孙朋杰 陈城

武汉云雾山风能资源定量评价及开发建议

文 | 方怡 陈正洪 孙朋杰 陈城

风能作为一种清洁的可再生能源，对于能源缺乏而又面临重大环保压力的中国经济，意义重大。根据“十二五”风电规划，我国风电并网装机容量到2015年将达到1亿kW以上，发电量达到1900亿kW·h。通常风电场的开发主要考虑三方面因素：风能资源、交通运输、并网条件，而风能资源评价是风电场是否具有开发价值的重要依据，并且风能资源评价对风电场的验收、运行管理及后评估都有着重要意义。

湖北省的地形结构大体是“七山一水两分田”，其风能资源主要分布在北部及汉江中游的主要风口、山体相对孤立的中高山区以及大型湖泊的周边等具有特殊地形地貌的区域。武汉市地势低平，过去一直被认为风能资源贫乏，至今未有风电开发项目。武汉市属亚热带季风气候，雨量充沛、光照充足，热量丰富，四季分明，云雾山位于武汉市黄陂区西北部，是大别山脉与江汉平原的过渡地带，一般海拔高度在400m－600m，主峰海拔709m，现为国家AAAA级景区。山上植被茂密，该区域主导风向（东北－西南向）比较空旷，风速较大。利用黄陂云雾山上设立的一座80m测风塔测风资料，对其轮毂高度上的平均风速和风功率密度等风能资源参数进行评价，旨在为武汉市首座风电项目的开发提供科学依据与合理建议。

资料与方法

本文主要依据《GB/T 18710－2002风电场风能资源评估方法》（以下简称《评估方法》）等相关规范进行资料完整性、合理性检验、风能资源参数计算，结合Weibull风频曲线拟合、区域风能资源数值模拟、长年代风能资源评估及单机理论发电量估算等方法，对风电场风能资源进行综合评价。

一、资料

取得了云雾山一个80m高测风塔（2882#）2012年12月17日－2013年12月25日的气象观测资料，该塔位置为31°10'57"N，114°14'32"E，海拔537m，风速观测位于10m、30m、60m、80m层，风向观测位于10m、80m层，温度、气压观测位于8m高度。由于植被茂密，对10m高度测风资料有一定影响。

选取黄陂气象站作为参政站，选取其1959年－2012年间的风速、气温、雷暴等气象要素进行气候特征分析，并利用其2012年12月24日－2013年12月23日一个完整年的测风资料进行参政站风况分析。采用武汉气象站近二十年500m高度探空风速以及黄陂气象站近二十年平均风速历史资料，以进行长年代风能资源评估。

二、风能参数计算方法

利用测风塔2012年12月24日－2013年12月23日一个完整年的逐时风速、风向资料对其进行完整性、合理性检验，测风塔10m－80m高度风速、风向有效数据完整率在97.5%－98.5%，符合《评估方法》提出的完整率达到90%以上的要求。相关风能资源参数计算公式如下：

式（1）中，DWP为设定时段的平均风功率密度（W/ m2）；" n" 为设定时段内的记录数；vi为第i记录风速（m/ s）值，ρ为空气密度（kg/m3）。

湍流强度表示瞬时风速偏离平均风速的程度，是评价气流稳定程度的指标。大气湍流强度与地形、地表粗糙度和影响的天气系统类型等因素有关。式（2）中，I为湍流强度；σv为10min风速标准偏差（m/s）；为10min平均风速（m/s）。I在0.1或以下时表示湍流相对较小，在0.25以上表明湍流过大。

式（3）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。

三、Weibull分布参数

风频曲线拟合采用Weibull分布，其概率密度函数用下式表示：

式(4)中：V为风速，A为尺度参数，K为形状参数。

四、风能资源数值模拟方法

根据大气动力学、热力学基本原理建立基于气象模式的高分辨率风能资源数值模型是较为详细摸清风能资源分布的重要手段，模拟结果可以填补无测风地区风能资源状况的空白，并且对风电场选址有重要的价值。

五、长年代风能资源评估

采用武汉气象站500m高度探空风速以及黄陂气象站平均风速历史资料进行长年代风能资源评估，从而对观测年的测风塔风速进行订正。采用探空资料可以较好撇除地面观测站受周边环境等变化而造成的风速减少。

六、单机发电量及等效满额发电小时数

分别以WTG 87/1500kW、H111/2000kW、UP105/2000kW、EN121/2300kW四种风 电机组为参考机型估算发电量。在标准空气密度1.225kg/m3下，四种机型切入风速、额定风速、切出风速分别为3.0m/s、10.0m/ s，22.0m/s；3.0m/s、10.0m/s、25m/s；3.0m/s、9.8m/s、25.0m/s；3.0m/s、13.0m/s、25.0m/s。

式（5）、（6）中，kv为3.0m/s－25.0（22.0）m/ s对应的功率曲线值(kW)；Hv为观测年3.0m/s－25.0m/ s各风速对应的年小时数(h)，a为折减系数（通常取0.7左右）,K为额定功率(kW)。

结果分析

一、参证站主要气象灾害特征分析

黄陂区影响风电场运行的主要气象灾害为暴雨、雷电、低温冰冻及大风等（见表1），近年更趋极端，如2008年我国南方发生严重冰雪灾害，黄陂气象站结冰日数多达54d，与1984年并列第一；2012年7月12日－13日黄陂区遭遇2次超百年一遇的强降水，其中13日气象站日降水量达到了285.2mm，为有记录以来最大值；2013年黄陂区频繁遭遇大风或龙卷风袭击，8月1日、11日、18日区域自动站瞬时极大风速达到了22.6m/s、23.9m/s和15.5m/s。

二、 测风塔各高度风能资源参数分析

1. 平均风速月、日变化

测风塔各高度逐月平均风速见图1。10m、30m、60m、80m高度年平均风速分别为3.2m/s、5.3m/s、6.0m/ s、6.3m/s，显然随高度上升风速逐步增加。各高度逐月平均风速最大值均出现在7月，最小值均出现在9月。80m高度有4个月（3月、4月、7月、8月）平均风速在7.0m/s以上，其它各月在5.0m/s－6.2m/s之间。10m高度因植被影响风速较小。

测风塔各高度平均风速日变化曲线见图2，其日变化特征均为夜间风速大，白天风速小，中午风速最小。测风塔全年逐小时平均风速80m高度均在5.2m/s－7.1m/s之间，其中21时－次日07时是全天风速相对比较大的时段，08时－20时是全天风速相对比较小的时段，最小值出现在11时－14时。

表1 黄陂主要不利气候特征值（1960年-2012年）

图1 测风塔各高度逐月平均风速变化图（m/s）

图2 测风塔各高度逐时平均风速变化图

2. 逐月及年平均风功率密度

测风塔各高度逐月平均风功率密度与平均风速变化趋势十分一致。各月平均风功率密度80m高度在182.8（6月）W/m2－421.2（7月）W/m2之间，80m高度有5个月（2月、3月、4月、7月、8月）平均风功率密度在300W/m2以上。测风塔10m、30m、60m、80m高度年平均风功率密度分别为37.2W/m2、176.4W/m2、253.9W/m2、288.0W/m2。见图3。

图3 测风塔各高度逐月平均风功率密度（W/m2）

图4 测风塔各高度风速和风能频率分布直方图

3. 风速频率和风能频率

测风塔各高度（10m－0m）有效风速频率在60.2%－86.0%。80m高度风速频率主要集中在3m/s－9m/s风速段，频率为69.0%，10m/s风速段以上的频率为17.0%。80m高度风能频率主要集中在6m/s－15m/s风速段，频率为79.9%。见表2和图4。

4. 风向频率与风能方向频率

测风塔10m全年最多风向为ENE，频率为18.8%，次多风向为W，频率10.3%，第三多风向为NE，频率为9.9%，三者之和为39.0%；80m全年最多风向为E，频率为18.2%，次多风向为ENE、WNW，频率均为10.1%，三者之和为3.4%。测风塔80m高度风向主要集中在ENE-E和W-WNW两个基本相反的扇区。见图5和图6。

图5 测风塔各高度年风向频率玫瑰图

图6 测风塔各高度年风能方向频率玫瑰图

表2 测风塔观测年度各风速段小时数（h）

测风塔80m高度E风向的风能频率最大，为31.9%，其次为ENE，频率为17.1%，再次为WNW，频率为13.6%，三者之和为62.6%。

可见，测风塔风能方向分布和风向频率分布一致，即主导风向下，其风能频率也大，这种特征有利于风电机组的排列布局及风能的利用。

5. 湍流强度

图7为测风塔不同风速段湍流强度变化曲线。各高度湍流强度随风速的变化趋势基本一致，3m/s－6m/s风速段湍流强度随着风速的增加而下降，6m/s以上湍流随风速的增加变化幅度不大。测风塔80m高度3m/s－6m/s风速段湍流强度在0.14－0.30之间，7m/s－22m/s风速段内湍流强度基本在0.09－0.13之间，有效风速段年平均湍流强度为中等，15m/s风速段80m的湍流强度为0.107。表3为测风塔80m高度主导风向下的湍流强度，主导风向的湍流强度为中等。

6. 风切变指数

根据测风塔观测年度各高度的平均风速实测值，采用幂指数方法，计算其风切变指数。由于测风塔10m高度风速受到植被遮挡偏小，所以计算风切变指数时不计算10m高度。测风塔30m－80m高度风切变指数为0.176。见图8

7. 80m高度风频曲线及Weibull分布参数

采用Weibull分布曲线拟合得到测风塔80m高度的尺度参数A值为7.08 m/s、形状参数K值为1.9。由图9可见，测风塔80m高度Weibull分布曲线与风速频率基本吻合。

图7 测风塔不同风速段湍流强度变化曲线

表3 测风塔80m高度3m/s-22m/s风速段主导风向下湍流强度

8. 对测风塔80m高度风能资源的长年代订正

综合历史探空资料及气象站资料（表4），武汉探空站、黄陂气象站在2013年的平均风速均大于其在近20年、近10年、近5年的平均风速，这说明观测年的平均风速会比其长年平均风速值要大，因此将测风塔在观测年的平均风速减去0.3m/s后的结果，可代表长年代风能资源状况。因此，推算出测风塔长年平均状况下，80m高度平均风速分别为6.0m/s，平均风功率密度为255.4W/m2。

图8 测风塔80m高度年平均风速垂直廓线

图9 测风塔80m高度Weibull分布曲线图注：A为尺度参数、K为形状参数、V为平均风速、P为平均风功率密度。

表4 武汉、黄陂气象站观测年及历史平均风速对比

三、区域风能资源数值模拟

图10 云雾山地区80m高度层1km分辨率年平均风速(m/s)

考虑到云雾山地理环境的复杂，单个测风塔的测风数据并不能代表整个风电场的风能状况。因此，采用数值模拟的方法模拟黄陂云雾山地区1km水平分辨率下的年平均风速。如图10所示，模拟的风速分布形式与山体走向一致，风电场区域风能资源状况明显较周边地区丰富。测风塔处于风能资源状况最好的区域，80m高度模拟年平均风速在5.7m/s以上，较实测值偏低，主要是由于这里模式模拟的是2007年风速分布情况，并且由上述长年代风能资源评估可知2013年平均风速较长年代风速值偏大。

四、单机理论发电量及长年代等效满负荷运行小时数估算

根据测风塔观测年度实测风数据，分别以GW 87/1500kW、UP105/2000kW、H111/2000kW、EN121/2300kW为参考机型，结合风电机组机型、轮毂高度，估算测风塔80m处标准空气密度下的长年代单机理论年发电量分别为430.5万kW·h、570.0万kW·h、609.2万kW·h、678.1万kW·h。在理论发电量的基础上，考虑空气密度、风电机组尾流、风电机组可利用率、能量损耗、气候等影响，计算测风塔80m高度长年代年单机等效满负荷运行小时数分别为2009h、1947h、2132h、2064h。风电机组标准空气密度下的功率曲线见图11。

图11 四种型风电机组在标准空气密度下的功率曲线

结语

（1）黄陂云雾山2882#测风塔80m高度处长年平均状况下平均风速分别为6.0m/s，平均风功率密度为255.4W/m2。采用GW 87/1500kW、UP105/2000kW、H111/2000kW、EN121/2300kW四种机型估算测风塔80m处标准空气密度下的长年代单机理论年发电量分别为430.5万kW·h、570.0万kW·h、609.2万kW·h、678.1万kW·h，长年代年单机等效满负荷运行小时数分别为2009h、1947h、2132h、2064h。测风塔处风能分布较集中，破坏性风速少，且该区域海拔较低，有利于风电机组的正常运行，因此该处风能资源具有开发利用价值。

（2）由于该风电场规划区域地形复杂，为了更详细地了解该处风能资源分布，建议在东北－西南走向山体的南部以及南边的西北－东南走向山体的中部各建一座测风塔进行观测。

（3）云雾山风电场规划区域位于国家AAAA级景区内，在利用风能资源的同时，也不能忽视对景区内生态环境的保护，做到商业效益与自然资源和谐统一，争取将风电场建成景中一景，让游客在欣赏自然风光的同时，感受独特的风车景观，体验新能源产业将“风害”变“绿电”的奇妙过程。

（4）极端气候事件会对风电场的正常运行产生影响，增加成本和运行的困难，在风电场的开发、运行过程中要特别注意低温冰冻、雷暴、大风对风电场的影响。

（作者单位：方怡，陈正洪，孙朋杰：湖北省气象服务中心，湖北省气象能源技术开发中心；陈城：武汉市黄陂区气象局）

摄影：高石峰