王起峰
(山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟南 250013)
受化石能源資源日趨枯竭、環(huán)境保護等的驅(qū)動,自20世紀70年代中期以來,世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都開始重視風(fēng)能的開發(fā)利用。國際上風(fēng)能開發(fā)利用的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。我國風(fēng)能資源十分豐富,開發(fā)前景廣闊,風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在蓬勃發(fā)展。
山東半島地處渤海灣與黃海包圍之中,地形以低山丘陵為主,風(fēng)能資源豐富。在風(fēng)電場設(shè)計的可行性研究階段,風(fēng)資源評估是一項十分重要的工作,其成果直接決定該工程能否盈利,風(fēng)資源評估內(nèi)容豐富:測風(fēng)數(shù)據(jù)整理、檢驗與處理;實測年風(fēng)能要素計算;代表年風(fēng)能要素計算;風(fēng)切變指數(shù);50年一遇最大風(fēng)速;湍流強度;威布爾分布;IEC等級等等統(tǒng)計內(nèi)容。本文主要介紹風(fēng)功率密度及IEC等級。
風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中所具有的功率。設(shè)定時段的平均風(fēng)功率密度表達式為:
式中:Dwp為平均風(fēng)功率密度,W/m2;n為在設(shè)定時段內(nèi)的記錄數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;
vi3為第i個記錄的風(fēng)速值的立方。
平均風(fēng)功率密度的計算應(yīng)是設(shè)定時段內(nèi)逐小時風(fēng)功率密度的平均值。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》,風(fēng)功率密度蘊含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響,是風(fēng)場風(fēng)能資源的綜合指標(biāo),風(fēng)功率密度等級見表1。
表1 風(fēng)功率密度等級
根據(jù)IEC61400-1:2005-8關(guān)于安全等級的規(guī)定,IECI~III的風(fēng)機,抗50年一遇十分鐘最大風(fēng)速分別為50m/s、42.5m/s、37.5m/s。湍流強度特性級A、B、C對應(yīng)的湍流強度值為0.16、0.14、0.12。
IEC等級對于風(fēng)機選型具有特殊的要求,根據(jù)其要求,主要考慮兩個方面的數(shù)值:50年一遇10min最大風(fēng)速和湍流強度。
根據(jù)全國風(fēng)能資源評價技術(shù)規(guī)定,測站50年一遇極端風(fēng)速值x采用極值型的概率分布,其分布函數(shù)為:
式中:u為分布的位置參數(shù),即分布的眾值;a為分布的尺度參數(shù)。
大氣湍流強度表示瞬時風(fēng)速偏離均值的程度,是評價氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo),其大小關(guān)系到風(fēng)電場資源質(zhì)量的優(yōu)劣。大氣湍流度與地理位置、地形、地表粗糙度和影響天氣系統(tǒng)的類型等因素有關(guān)。風(fēng)能資源評估中湍流指標(biāo)采用相同時段的平均風(fēng)速和標(biāo)準偏差計算湍流強度。本次數(shù)據(jù)記錄時段采用10min平均值進行湍流強度的計算,公式為:
本研究以山東某縣風(fēng)電場工程為實例,介紹風(fēng)資源評估步驟。
為了合理有效的開發(fā)風(fēng)電場,在風(fēng)電場安裝了一臺70m高的測風(fēng)塔進行測風(fēng)工作,分別在70m、60m、50m、30m、10m高度各安裝了一個風(fēng)速儀,并在70m、10m高度各安裝了一個風(fēng)向儀,測風(fēng)儀器采用美國NRG公司制造的Symphonies測風(fēng)設(shè)備。距離風(fēng)電場最近的氣象站位于風(fēng)電場東北約13km處,在收集了一整年測風(fēng)數(shù)據(jù)后,經(jīng)過檢驗、處理后得到一套完整年的測風(fēng)數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)場附近長期測站的觀測數(shù)據(jù),將驗證后的風(fēng)場測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場長期平均水平的代表性數(shù)據(jù),然后采用公式(1)計算輪轂高度處的風(fēng)功率密度和平均風(fēng)速,見圖1。
圖1 風(fēng)電場代表年風(fēng)逐月風(fēng)功率密度
由圖1可知,本風(fēng)電場年平均風(fēng)速約為6.2m/s,年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2。本風(fēng)電場3月~5月及11月~12月為大風(fēng)月,風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較大,而7月~9月為小風(fēng)月,風(fēng)功率密度及風(fēng)速均較小。
該地區(qū)的相關(guān)歷史氣象資料進行具體分析,計算得出氣象站50年一遇最大風(fēng)速為19.21m/s。用氣象站與測風(fēng)塔70m日最大風(fēng)速相關(guān)分析,采用風(fēng)切變指數(shù)推導(dǎo)到輪轂高度處,其50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s。
計算輪轂高度處實測年15m/s風(fēng)速下的湍流強度為0.1087。
(1)本風(fēng)電場年平均風(fēng)功率密度約為253W/m2,平均風(fēng)速約為6.2m/s,根據(jù)風(fēng)功率密度等級表,本風(fēng)電場為2級風(fēng)場,具有一定的開發(fā)價值。
(2)本風(fēng)電場50年一遇最大風(fēng)速為33.49m/s,輪轂高度處湍流強度為0.1087,根據(jù)IEC等級標(biāo)準,本風(fēng)電場風(fēng)機選型時應(yīng)選擇IEC IIIC以上的風(fēng)機。
[1]王美琳,羅勇,周榮衛(wèi).WindSim軟件在復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估中的應(yīng)用[J].氣象,2010,36(2).
[2]高興建.風(fēng)電場風(fēng)資源評估及微觀選址方法[J].黑龍江科技信息,2010,(21).
[3]王麗娜,祝青林,徐梅.大連地區(qū)風(fēng)能資源評估及分布[J].氣象科技,2010,38(4).
[4]王曉林.風(fēng)功率密度等級劃分和風(fēng)能區(qū)劃的修訂建議[J].電力技術(shù),2010,19(8).