西藏拉萨低风速区风能资源观测及评估*

李志

（西藏自然科学博物馆，西藏 拉萨 850000）

0 引言

中国“碳达峰、碳中和”发展目标的提出，促使我国走向绿色发展的道路。风力发电作为极具技术和经济竞争力的能源生产方式，是支撑我国绿色低碳发展的重要途径之一。近年来中国风电行业实现高速发展，风力发电机容量的增加、装机规模的不断扩大，使其成为我国可再生能源发展的重要支柱产业，但是国内风力发电技术发展时间相对较短，距离发达国家技术水平仍有一定差距。

西藏作为地球第三极的重要组成部分，整体风能资源丰富。受特殊地形、地貌等高原环境的影响，西藏地区形成了两条风带，一条位于喜马拉雅山脉与冈底斯山脉之间的山谷地带东段；另一条位于藏北高原地区，大致沿安多—狮泉河公路一线。除藏中和藏东地区，由于受周围高山遮挡，难以被高空西风气流光顾，风能资源较较贫乏外，大部分地区属可利用区和较丰富区（如图所示）［1］。

图1 西藏风能分布图

虽然风能资源丰富，但受到地理环境、气候因素、风能发电技术等限制因素，目前，西藏地区风能开发利用少，仅有位于那曲市那曲镇国电龙源那曲高海拔实验风电场及位于山南市措美县哲古镇哲古风电场等大型装机容量大的发电厂。

拉萨市作为西藏的首府，在积极践行国家所倡导的绿色发展，最典型的是通过拉萨南北山绿化的建设，以加强生态保护。作为风能资源丰富地区，拉萨市除了采用绿化建设的方式外，还可通过利用风能开发以践行绿色发展。但经各处调研及阅读文献，发现西藏拉萨风能利用不多，前人对拉萨风能资源的调查研究关注度较少，特别是低风速（3m/s～7m/s）风能利用尚未开发。

本研究基于风能评估方法和原理，对拉萨低风速区的风能资源进行观测评估及初步探究，其目的是为拉萨市低风速区风能资源观测与评估等相关研究提供参考，并为当地政府决策部门制定风电发展规划和保护能源经济发展对环境变化影响的措施提供科学支持。

1 风能监测

1.1 风能资源观测方法

风能资源观测与评估是制定风电发展规划和实施风电场工程项目建设的重要基础，风能资源的评估的参数主要包括风能的空气密度［2］、风能密度变化趋势、风速、平均风功率密度及其风能频率分布［3］和风向等。其中，空气密度直接影响风能的大小，在同等风速条件下,空气密度越大风能越大。风能密度［4］是风力发电机组有效的利用风速范围，风能率密度等级越高，风力发电的效率越好。风速的大小直接关系区域是否蕴藏着风能资源，目前风力发电机风速最低启动速度为2.5m/s，风速长期稳定在一个区间，那就说明这个区域适合风能开发。风的方向与风力发电机的叶片垂直才能驱动风力发电机组运行，风向占比偏向较大，这样就选择水平轴风力发电机更有效利用风能，风向占比偏向较小，这样就选择垂直轴风力发电机更有效利用风能。

本研究的风能观测点设置在西藏拉萨市西藏自然科学博物馆内，共建立2座塔架6米高的测风塔（#1经度：91.181°E，纬度：29.649°N，海拔3668m，塔架上安装风力发电机组为垂直轴;#2经度：91.185°E，纬度：29.648°N,海拔3679m，塔架上安装风力发电机组为水平轴），四周无高大建筑物。符合“为确保测量风能资源准确性，测风塔安装正确性，安装的地理位置尽量避开建筑物的遮挡”这一条件，具有代表性。

测风塔位于拉萨市东郊，处于拉萨河谷地带，气候属于高原温带半干旱季风气候，干湿季节突出，紫外线辐射强，日照时间长，年日照可达3000小时以上。昼夜温差大，一般情况一年中夏季6月平均温度最高，1 月平均温度最低。境内天气干燥，冬春季节降雨较少，主要集中降雨是6月至9月份，多夜雨。

图1 测风塔分布图

测风塔测风数据的观测和采集内容包括风速、风向、湿度、气温和气压等重要的实时参数，其中风速观测采集时间间隔为1 秒钟，主控系统自动整理计算和记录每10 分钟内不间断采集的瞬时风速得到平均风速和每10分钟的风速标准偏差值；极大风速为每3秒钟采集一次的风速最大值，每10 分钟自动记录；风向观测采集时间间隔为2 秒钟，主控系统自动整理计算和记录每10分钟的风向值、标准偏差。

通过对监测系统和和数据收集获得运行数据和日志信息，根据测风塔风况的实时风速、风向等数据，对两座风电机组的日常运行数据进行统计和分析，制作数据统计图，可以更加直观清楚的了解该区域的风能富集程度。

1.2 风能资源观测数据

1.2.1 空气密度。根据馆里测风塔机舱顶部上安装的气压计、气温计、湿度计实测数据和空气密度计算公式，计算日平均气压和日平均气温，最后统计计算出拉萨市12 月份至次年2 月冬季月空气密度均值约为0.909kg/m3～0.886kg/m3之间，在全年气温最低的一月份空气密度最大。由于空气热胀冷缩的原理，随着季节的变化，温度升高，春夏季空气密度逐渐减小，六月份空气密度最小。

空气密度的计算公式如下：

式中：ρ为空气密度(kg/m3)；P 为气压(hPa)；t为气温(℃)；e为水汽压（hpa）；

拉萨市海拔约为3650m 左右，和内地其它地区相比，海拔属于高海拔类型，空气较为稀薄，气压小，温度变化大，空气湿度小，导致空气密度也会变的非常低，年平均空气密度为0.81kg/m3之间。

由于西藏拉萨大部分区域地表面覆盖的植被主要以矮小的灌丛草甸或者是裸露地表面，稀少光秃的地表面吸热能力严重丧失，热量大部分用于地表面空气的加热，当下层空气不断加热超过上层空气流动，这样导致垂直方向的空气密度随着高度的升高，空气密度减小，这种现象在温度较高的夏季更加明显，进一步说明近地表面的空气密度更适合风力机组运行。

1.2.2 风能密度。根据测风塔机舱顶部风速仪测得的风速，控制系统采集传输风速仪的风速数据，由于两个测风塔各项数值存在差异，算出平均值，计算出一天中最大风速和最小风速，利用公式（1）空气密度，计算出风能密度。例如：3月10日，最大风速10.7m/s，风能密度最大值约达到536W/m2，最小风速2.2m/s，风能密度最小值约达到4.5W/m2。

式中:W为风能密度（W/m2）;V为风速（m/s）;ρ为空气密度（kg/m3）。

从上式可以推出，风能密度不仅和风速相关，还和空气密度紧密相连。为了本研究更加客观和精确，采集的数据都是日统计和记录。从日风能密度趋势可以看出，拉萨低风速区风能密度还是较为丰富的，从风力开发的角度，风能密度大于200W/m2时间还是较长的，说明该地区的风能密度还是比较丰富的。

1.2.3 风速变化。通过对两座测风塔3 月份每天最大风速测得结果的取平均值得到曲线，图中所示一天中昼夜温差［5-7］在13℃以内，最大风速小于6m/s；一天中昼夜温差大于15℃,这一天的最大风速就会大于7.5m/s。

图3 风速与温度的变化曲线

从代表月2 月、3 月、4 月中选取风速变化最频繁最明显的一天作比较，图中可以看出风速都是从中午12 点时以后风速不断增大，直至晚上24 点时风速慢慢变小，个别会出现在23 时左右风速最大；相同点就是这三天的温差较大，且温度变化大。例如：2 月18日，最低温度-4℃，最高温度是11℃，中午13点时温度最高，天气突然变化，温度高低变化频繁，就会导致风速增大且高风速还会持续很长一段时间。

图4 24小时风速变化

1.2.4 风向占比。通过对两座测风塔2月份每个风向测量仪八个方向测量数据等级频率发生的统计，绘制了拉萨市低风速区月风向比例图［8-10］。

从风向占比图中可以看出，各个风向的占比变化不大，风向分布较为分散［11］，其中西南风和东南风占比15%～17%之间，其余六个风向占比大致相同在8%～15%之间，略偏于西南风和东南风。考虑到拉萨市的地理位置［12］和地形地貌的复杂性和特殊性［13］，测风塔又是安装在拉萨市市区河谷地带，安装的测风塔少，监测到的风向具有一定的局限性。

图4 2月份风向比例

2 结论

本文利用西藏自然科学博物馆测风塔风场资料,分析了拉萨市低风速区的风能资源特征,主要包括空气密度、风能密度变化趋势、风速、平均风功率密度及其风能频率分布和风向等参数，得到如下主要结论:

（1）拉萨市低风速区的风能资源主要集中在13点至23点之间,风能密度、有效风速出现频率、不同等级风能密度出现的频率都表现出明显的日变化特征,波谷值出现在凌晨1 点至8 点(风能密度20 W/m2～15 W/m2之间,有效风速频率35%以上)，波峰值出现在下午17 点至19 点(风能密度545 W/m2～160 W/m2之间，有效风速频率25%以上)。

（2）拉萨市低风速区的风向是不断变化的,风能分布较为分散，这对于风能开发是很有一定的局限性，根据风能的分布情况，若要更大效率的利用风能，选择合适的风机排布，长期运行，更有效的提高风能发电力，选择垂直轴风力机要优于水平轴风力机，风力机组最低启动风速选择在2.5m/s。

（3）目前,拉萨受到环境变化、日照、温度等影响，拉萨的风能密度逐年变化,随着低风速风电机组技术的不断进步，拉萨低风速区资源较为丰富，尤其现在不断推进城镇化建设，低风速区可利用范围值得开发利用。根据风能的分布情况，适合安装500kW～3000kW 风力机，塔架高度3m 至12m。西藏作为我国重要战略要地，可再生资源和能源储备基地，有着资源上的绝对优势和比较优势，发展新能源产业是在新时代社会主义新西藏统筹兼顾经济发展与生态环境要求下的新发展方向，最终达到合理利用现存的资源和保护环境的目的。