风力发电对张家口风速影响分析

李彩娟 霍丽芳 牛连杰

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

风力发电对张家口风速影响分析

李彩娟 霍丽芳 牛连杰

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

收集并整理了张家口地区1999-2013年的风力数据以及2005-2013年的风电装机数据，依据数据绘制出风速变化图.文中利用SAS软件，进行了年风速与年装机台数、装机容量、新增装机容量之间的相关性分析，结果显示它们之间不具备显著的相关性；进一步分析了风速与年装机台数、装机容量、新增装机容量的平方之间的相关性，并给出线性回归方程，结果表明具有显著相关性.分析表明，装机容量的增加不仅没有减少张家口地区的风速，而是逐年有递增趋势.

风速;装机容量;相关性;回归

0 引 言

张家口市地处东亚大陆性季风气候区内，属于典型的大陆性干旱和半干旱地区，其典型的气候特点是“风大”.因此，该市也成为了国内少有的风能资源富集地区.据测算全市风资源可开发容量达2000万千瓦以上,可开发规模达1170万千瓦以上，且可开发区域地势平坦、交通方便，且地处京津塘地区的电力负荷中心，具备建设世界级大型风电场的良好条件.近年来，张家口市紧紧抓住国家鼓励清洁能源发展的良好机遇，积极推进风电项目建设.2007年，坝上地区被确定为全国第一个百万千瓦级风电基地；2009年，又被确定为全国首个双百万千瓦级风电基地.截至目前，全市已建成风电场87个.另有续建项目7个、新开工2个、核准未开工项目17个，预计2015年，风电装机容量将达到700万千瓦以上.截至目前，全市风电装机容量达到610万千瓦，并网580万千瓦(图1)，继续保持全国领先地位，成为华北重要的新型能源产业基地.

与此同时，我们的近邻北京却正在遭受着越来越严重的“雾霾”的困扰，雾和霾，原本都是自然现象，但如今人为因素成了不可忽视的诱因.构成霾的元凶PM2.5，主要来自工业污染、汽车尾气、冬季取暖等等人为活动.雾霾的治理是一项长期艰巨的任务，目前北京的清新空气和蔚蓝天空的出现似乎只能借助于“风”，民间甚至有一种说法，是张家口的风力发电偷走了北京的风，所以北京才会出现雾霾.这种说法有没有道理，风力发电到底会不会减弱风的速度？本文将根据张家口近些年风电装机的容量和历年气象数据结合一起来研究分析这一问题.

1 背 景

近年来，一些研究利用近50年中国气象观测资料数据进行分析，多数研究表明中国风速有明显下降趋势，如任国玉等采用国家基准气候站和基本气象站的地面资料分析得出结论：全国年平均风速近40年来呈明显减弱趋势，减小速率大于每10年0.1 m/s.一些气象专家还分析得出了1969-2000年全国平均风速稳定下降了28%.赵宗慈、江滢等通过大量的观测和数值模拟研究表明,风电场的运行明显减小下游风速.一些数值模拟研究表明,如果建立大量大型风电场,这些风电场的运行将可能造成风速减小.

与此同时，有实验表明，风电场的设置和运行会明显影响到下游方向的风速.丹麦一个风电场的观测资料显示，大风进入风电场的风速若是8～9 m/s,经过风电场风机对动量的吸收和一定高度风机的摩擦力作用等，在风电场的下游方向测得的风速明显衰减，其下风方向在6km处的风速与原有风速比值为0.86,在8 km处的比值为0.88，而后有缓慢回升，到11 km处的比值是0.90，还没有恢复到原有水平.数值模拟证实风电场影响风速衰减的距离可以达到30～60 km.

2 数据搜集与整理

表1 张家口1990-2013年总风速、年平均风速数据

图1 1990-2013年张家口市年平均风速的变化

图1和图2分别是1990～2013年张家口市年平均风速和距平的变化.1990～2013年，张家口市年平均风速呈小幅递增趋势，23年间的递增率约为0.021 m/s·a.但期间存在阶段性的变化.1990～1993年，张家口市年平均风速逐年上升.1993～2003年，张家口市年平均风速整体呈下降趋势，十年间的递减率约为0.064 m/s·a，风速减小幅度较大.2003-2011年，张家口市年平均风速整体呈上升趋势，八年间的递增率约为0.015 m/s·a，风速增加幅度较小.2012-2013年，年平均风速出现大幅度增大，2012年平均风速达到3.2 m/s，与2011年相比增加约0.9 m/s.

图2 1990-2013年张家口市年平均风速距平的变化

3 风电场对张家口风速变化的影响分析

表2 2005-2013年全市风电装机、年总风速情况表

3.1 相关性分析

1)运行结果.

z1z2z3y

z11.00000 0.99798 0.99396 0.74569

<.0001 <.0001 0.0211

z20.99798 1.00000 0.99696 0.77748

<.0001 <.0001 0.0137

z30.99396 0.99696 1.00000 0.78062

<.0001 <.0001 0.0130

y0.74569 0.77748 0.78062 1.00000

0.0211 0.0137 0.0130

2)结果分析.

y与z1的相关系数为ρyz1=0.7459，相关检验为

H0∶ρyz1=0←→H1∶ρyz1≠0，

检验的P值为p<0.0211<0.05=α,所以拒绝H0，认为y与z1是显著相关的.

类似可得，y与z2是显著相关的，y与z3是显著相关的，

3.2 回归分析

1)z1、z2对y的回归.

参数估计

β0=861.90026,β1=-0.00012489,β2=0.00679

相关检验

(1)H0∶β1=β2=0←→H1∶β1,β2不全为0，检验的P值为p=0.0049<0.05=α,所以拒绝H0，认为z1,z2对y的线性回归关系是显著的.

(2)H0∶β1=0←→H1∶β1≠0，检验的P值为p=0.0300<0.05=α,所以拒绝H0，认为z1对y的影响是显著的.

H0∶β2=0←→H1∶β2≠0，检验的P值为p=0.0206<0.05=α,所以拒绝H0，认为z2对y的影响是显著的.

所以得

y=861.90026-0.00012489z1+0.00679z2

2)z1对y的回归.

参数估计

β0=826.28493,β1=0.00001245

相关检验

H0∶β1=0←→H1∶β1≠0,检验的P值为p=0.0211<0.05=α,所以拒绝H0，认为z1对y的线性回归关系是显著的.

所以得

y=826.54696+0.00001245z1

3)z2对y的回归.

参数估计

β0=826.28493,β1=0.00064002

相关检验

H0∶β1=0←→H1∶β1=0

检验的P值为p=0.0137<0.05=α,所以拒绝H0，认为z2对y的线性回归关系是显著的.

所以得

y=826.28493+0.00064002z2

4)z3对y的回归.

类似可得y=833.13790+0.00066474z3

4 结 论

综上所述，虽然很多专家提出质疑，认为大力发展风电将减弱风速，但是就张家口地区风电大力发展以来的风速数据分析，不仅没有使风速减小，还有递增趋势，而且与风电装机台数等指标的平方成正相关.

虽然分析结果显示不减弱风速，但是京津地区最近几年明显有气候异常现象出现，出于对风能资源的研究，朱瑞兆教授认为，风速与冷空气性质存在着很大的相关性.不难想象，由于超大规模的风力发电厂的消耗，很大一部分冷空气已经很难像以往那样越过陕西、山西，到达中部的河南，形成降雨.它们骤然停滞在了华北平原，再与京津超级城市群中的热空气发生强烈对流作用，形成突如其来的降雨，今年北京连续出现家中看海现象，刚好应证了这一说法，另一方面却使得中东部地区遭遇连绵干旱.

[1]范金城,梅长林.数据分析[M].北京:科学出版社,2002.233～300.

[2]高惠璇等.SAS系统—Base/STAT软件使用手册[M].北京:中国统计出版社,1997.

[3]任国玉、张爱英、王颖等，我国高空风速的气候学特征，地理研究，2009，28(6)：1584～1592

[4]赵宗慈、罗勇、江滢等，风电场对气候变化影响研究进展，气候变化研究进展,2011，07:400～406

Analysis of the Impact of Wind Power on Wind Speed in Zhangjiakou

LICai-juan，HUOLi-fang，NIULian-jie

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

The wind data of 1999-2013 and the wind turbine data of 2005-2013 in Zhangjiakou area are collected and collated in this paper.According to the data,the figure of wind speed variation was drawn.Using Statistics Analysis System(SAS),a correlation analysis was made on annual wind speed and annual installed units,installed capacity and the additional installed capacity.The results show that they do not have significant correlation.But further analysis was made on annual wind speed and the square of annual installed units,installed capacity and the additional installed capacity,and the linear regression equation is written out.The results show there was significant correlation.According to the analysis,the increases of the installed capacity do not reduce the wind speed of Zhangjiakou area,but has an increasing trend year by year.

wind speed;installed capacity;correlation;regression

2015-03-20

2013年河北省科技计划项目，《风能转化对张家口地区风向、风速影响分析》(项目编号13274218)

李彩娟(1969-)，女，副教授，硕士，主要研究方向应用数学及计算机相关.

O 212.1

A