近10年阳江市地面风场特征及风能资源初探

2016-08-08黄先伦殷启元麦宗天殷宏南

广东气象 2016年1期

关键词：阳江风能风速

黄先伦, 殷启元, 麦宗天, 殷宏南

(1.阳江市气象局广东阳江　529500；2.广东省防雷中心广东广州　510080)

近10年阳江市地面风场特征及风能资源初探

黄先伦1, 殷启元2, 麦宗天1, 殷宏南1

(1.阳江市气象局广东阳江529500；2.广东省防雷中心广东广州510080)

摘要：利用2004年12月31日21：00—2014年12月31日20：00阳江地区2个观测站逐小时观测资料，分析阳江地区地面风场特征。结果表明，阳江站年平均风速为4.0 m/s，有效风速出现的频率为68.1%；阳春站年平均风速为2.0 m/s，有效风速出现的频率为20.2%；阳江夏季盛行的风是S风和SSW风，其他3个季节盛行的风是NE风和NNE风。通过对阳江地区风能初步评估发现阳江南部是风能丰富地区，北部是风能贫乏地区，可以利用阳江山地地形来建立风电站。

关键词：应用气象；风速；风能；风能密度； Weibull分布；阳江

风能资源作为一种清洁的可再生能源，具有增加能源和保护环境的双重功效。开发利用风能资源是调整能源结构，实施能源和国民经济可持续发展的有效手段，因此风能的开发和利用越来越受到全世界的重视。研究表明，我国拥有丰富的风能资源储量[1-2]，其中华南沿海地区或海拔高的地区适宜发展风电站[3-5]。钱光明等[6]指出，如果风机容量300 kW，那么广东省沿海风能装机总量为550×104kW。广东省沿海岸线2 km宽地带年平均风速≥5.5 m/s，属于风能丰富区，是沿海风能开发的重点区域[7];广东大陆海岸(含离海岸线50 km内的陆地)是风能可利用区;而大陆内地的丘陵、山地和盆地则是风能年贫乏区，但在海拔高的地方也可以因地制宜利用风能资源[8]。阳江处于广东省西南沿海地区，风力资源十分丰富[9]，目前海陵岛、阳东以及阳西沿海一带已建设风力发电站，但远离海岸线的地区却没有发展风力发电站。因此了解阳江地区风能资源分布特征，对阳江风能开发具有重要意义。

1资料及方法

本研究利用2004年12月31日21：00—2014年12月31日20：00阳江地区2个观测站逐时观测资料，对阳江地面风场特征和风能进行分析。阳江市管辖2个观测站点，即阳江站和阳春站，其中阳江观测站位于阳江市南部，海拔高度89.9 m，处于髻山山顶；阳春站在阳江市北部，海拔高度37.7 m，位于阳春市城区里。风的等级划分见蒲福风级表，其中0级风表示静风；有效风速为3.0～20.0 m/s。季节统计则按照3—5月、6—8月、9—11月、12月到次年2月为1年中的春、夏、秋、冬4季。

风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度(W/m2)。它是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量，但是在实际当中风速每时每刻都在变化，不能使用某个瞬时风速值来计算风能密度，只有长期风速观察资料才能反映其规律，因此用平均风能密度的概念。风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。风能密度公式具体参看文献[7]。

2阳江各站点地面风场特征分析

2.1风速年际变化与季节变化

从年平均风速逐年变化可以看出(图略)，阳江地区的年平均风速呈逐年略微减小趋势，这与罗伟华等[10]的研究结果一致。阳江站年平均风速为4.0 m/s，而阳春站只有2.0 m/s(表1)。阳江站月平均风速都属于有效风速范围，阳春站月平均风速在1.8～2.2 m/s之间，无论阳江站还是阳春站8月平均风速都是最小值，而12和1月平均风速为最大值。从季节变化来看(表略)，各站平均风速冬季最大，阳江站为4.3 m/s，阳春站2.1 m/s；秋季和春季次之，而夏季平均风速则为最小。

表1　阳江阳春站月平均平均和极大风速　m/s

分析每月的极大风速发现，阳江站的极大风速为52.2 m/s，出现在2008年9月24日，是在超强台风“黑格比”过程中录得；次大值是2013年8月14日在超强台风“尤特”过程中录得，为43.5 m/s。阳春站的极大风速为27.7 m/s，是在台风“巨爵”过程中录得。从表1中还可以看出，阳江市较强的极大风速出现在6—9月，这是由于台风影响的原因。

2.2风向频率变化

从整年风向频率来看(表2)，阳江站频率出现最多的风是NE风，为24.6%，频率出现较多的风还有NNE和SSE风，分别为16.0%和9.7%，出现最少的有W、WSW和WNW风，这3个方向的风的出现频率都不到1.5%。从各个季节上看，除了夏季之外，其他3个季节都是NE和NNE风的出现频率较多，而夏季出现频率较多的是S、SSW和SSE风。阳春站与阳江站情况类似，春、秋、冬季以及年平均风的出现频率最多的也是NNE和NE风，夏季出现频率较多的是S和SSW风。出现频率较少的是WNW、W和E风。

表2　阳江各站较多和较少风向频率

2.3风速频率变化

从风速等级频率来看(图1)，阳江站静风出现的频率很低，只有0.2%，有效风速(EWS)出现的频率最高，为68.1%。阳江站1～4级风出现的频率最高，共占97.1%，其中2和3级风的出现频率分别为34.8%和38.5%。5～12级风的出现频率依次减少，12级风更是没有出现过。阳春站情况也类似，静风出现的频率为16.0%，有效风速出现的频率为20.2%。1～3级风共出现的频率为97.7%，其中1和2级风的出现频率为40.9%和43.9%；7～12级风没有出现过。

图1　阳江风速频率

2.4风速概率Weibull分布参数

描述风速概率分布有多种模式，国内外学者认为Weibull分布对风能计算而言是比较好的模式，也是目前风电开发中应用最多的一种模式[11]。研究表明，近地层形状参数k随高度增加而增大，在60～70 m附近达到极大值，随后k随高度增加而减小。尺度参数c随高度服从指数变化。通过参数k、c能近似拟合风电场实际风速频率分布，了解风电场的风速特性。因此，双参数Weibull分布函数曲线的拟合对实际风能资源的评估、风力机的选择、风力发电机组年发电量以及风电场年总发电量的计算都是很重要的参数。Weibull分布的尺度参数 c取决于风速的时间特征和该分布与平均风速之间的某种特定关联；形状参数k表达该分布的形状。k的值为1～3.5，k值越大，说明风速波动越小越适合风力发电。本研究采用最小二乘法计算得到阳江和阳春站的尺度参数c和形状参数k(见表3)。从表3上可以看出，阳江站冬季风速波动最小，最适合发电，而阳春站4个季节风速波动变化相差很小，秋季最适合发电。

表3　阳江各站点Weibull参数

3阳江市风能资源初步评估

风能资源丰富与否决定于风能密度的大小和可利用的风能年累积小时数的多少。评价风能的指标有：平均风能密度、有效风速出现时数、平均有效风能密度。图2为风能密度在各个风速等级上的分布。

图2　风能密度在风速等级上的分布

可知，风能密度在各个风速等级上出现的分布呈单峰型，阳江站3～5级风的风能密度贡献最大，占83.9%；阳春站2和3级风的风能密度贡献最大，为86.9%；阳江站出现有效风能密度(EWSD)的频率为94.2%，而阳春站为72.4%。

图3是各站各个方向风能密度的分布。从图3来看，阳江站NE方向和NNE方向风能密度最多，两者占全年的56.3%。阳春站风能密度呈两个方向的集中，一个在N、NE和NNE方向，占全年54.6%，一个在SE、SSE、S和SSW方向，占全年35.1%。

图3　阳江(a)和阳春(b)各个方向上的风能密度分布(单位：W/m2)

通过计算阳江各站点风能资源参数(表4)，发现阳江站平均风能密度64.8 W/m2，平均有效风能密度为89.4 W/m2，年平均有效风速时数5 913.3 h；而阳春站年平均风能密度10.2 W/m2，平均有效风能密度为36.5 W/m2，年平均有效风速时数1 765.2 h。比较表4和表5，发现阳江站(阳江市南部)都是风能丰富区域，而阳春(阳江市北部)则是较为贫乏区域。

表4　各站点风能资源参数

表5　我国风能区划标准

4结论

1)阳江站年平均风速4.0 m/s，极大风速为52.2 m/s。出现频率最高的风等级是1～4级，占97.1%，有效风速出现的频率为68.1%。除夏季外，阳江站出现频率最多的风是NE和NNE风，而夏季出现频率最多的风是S和SSW风。

2)阳春站年平均风速2.0 m/s，极大风速为27.7 m/s。出现频率最高的风等级是1～3级风，占97.7%，有效风速出现的频率为20.2%。除夏季外，阳春站出现频率最多的风向是NNE和NE方向，而夏季出现频率最多的风向是SSW和S方向。

3)根据Weibull分布，发现阳江站冬季风速波动最小，最适合发电；阳春站4个季节风速波动变化相差很小，秋季最适合发电。

4)阳江站年平均有效风速时数为5 913.3 h，年平均有效风能密度为89.4 W·m-2，有效风能密度出现的频率为94.2%，是风能资源较丰富地区；阳春站年平均有效风速时数为1 765.2 h，年平均有效风能密度为36.5 W·m-2，有效风能密度出现的频率为72.4%，是风能资源贫乏地区。

目前，阳江靠海一带已经建设风力发电站，而阳春地区却没有建设风力发电站，通过上面的研究表明，阳春站是风能资源贫乏地区，但是风的局地性特征明显，风速的大小与测风仪所在位置有很大关系。阳春站位于城市中心，周边建筑物多，测得风速较小。由于风随高度的变化服从指数律，其指数n与下垫面有关[12]，平均在0.18～0.21之间，而风能指标又与c成正比，与k呈指数关系，所以风能指标在近地层也是随高度增加而增大的[13]。阳春处于天露山和云雾山环绕中，山地多，因此利用山地建立风电站十分可行。

参考文献:

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[5]李斌喜，何知，周绍敏，等.玉林大容山地区风能资源分析[J].气象研究与应用，2014，35(4)：63-66.

[6]钱光明，罗金玲，戴景茹，等.广东省沿海风能储量及开发前景分析[J].广东气象，1998，20(4)：2-4.

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[8]吴开嘉.广东省风能资源的计算及分析[J].热带气象学报，1989，5(1)：79-84.

[9]毛慧琴，宋丽莉，黄浩辉，等.广东省风能资源区划研究[J].自然资源学报，2005，20(5)：679-683.

[10]罗伟华，张明志，姚建春.近47年来广东地面气候变化基本特征[J].广东气象，2009，31(1)：35-38.

[11]Justus C G. Methods for estimating wind speed frequency distribution[J].Journal of Applied Meteor rdogy，1978,17:(3):350-353.