寧波市鄞州區(qū)白巖山風(fēng)能資源利用的實踐與思考

王杰，孫天添，趙曉彤，蔡仕博，辛欣，聞丹

(1.寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315100；2.國電鄞州風(fēng)力發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315100)

綠色低碳能源的大力開發(fā)是能源供給側(cè)改革、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、降低碳排放的重要舉措[1]，風(fēng)能作為重要的可再生能源，發(fā)電不消耗一次性能源，不污染環(huán)境，建設(shè)周期短，裝機規(guī)模靈活，占地少，對土地要求低，發(fā)電方式多樣化，具有很高的環(huán)境價值和廣闊的發(fā)展前景。在可再生綠色能源開發(fā)利用中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最為成熟，已成為當(dāng)前世界上增長最快的能源。目前，中國正逐年增大新能源發(fā)電的比例，積極推進(jìn)風(fēng)電項目的建設(shè)。浙江省積極推進(jìn)近海風(fēng)電項目建設(shè)，省內(nèi)近海和離大陸較遠(yuǎn)的海島，屬風(fēng)能資源豐富區(qū)，也是浙江風(fēng)能資源最好的地區(qū)，研究風(fēng)能的開發(fā)利用，對助推綠色低碳能源的持續(xù)發(fā)展，加強生態(tài)文明建設(shè)，有著重要的理論和實踐意義。隨著風(fēng)能資源的不斷開發(fā)和利用，人們也開始關(guān)注氣候、環(huán)境和風(fēng)電場之間的相互影響。張雙益等[2-5]研究了大氣邊界層與風(fēng)力發(fā)電的相互作用，發(fā)現(xiàn)不同的下墊面會不同程度地改變風(fēng)力機下游空氣流動，使近地面的風(fēng)速及湍動能發(fā)生變化；曾琦等[6-9]著重分析了臺風(fēng)、雷電、低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫等各類氣象災(zāi)害對風(fēng)電場的影響，氣象災(zāi)害會使風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備受損，發(fā)電效益降低，并提出相應(yīng)的措施。王燁芳等[10]利用實時觀測數(shù)據(jù)，對江蘇環(huán)港風(fēng)電場風(fēng)能資源進(jìn)行特征分析。薛曉丹等[11]研究了風(fēng)力發(fā)電對生態(tài)環(huán)境的影響。

鄞州區(qū)白巖山風(fēng)電場位于浙江省寧波市鄞州區(qū)橫溪鎮(zhèn)、塘溪鎮(zhèn)的白巖山一帶，靠近浙北沿海，離象山港沿海直線距離11 km，平均海拔高度500 m，氣候條件優(yōu)越，被評為浙江省避暑勝地，當(dāng)?shù)貓猿指哔|(zhì)量綠色發(fā)展理念，有效利用丘陵風(fēng)能，深入發(fā)掘風(fēng)力發(fā)電潛力，推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興，實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。就近利用風(fēng)能資源，既可助力當(dāng)?shù)卣{(diào)整能源結(jié)構(gòu)，又能帶動鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。場地安裝單機容量2、2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組各15臺，總裝機容量67.5 MW，風(fēng)機風(fēng)筒高度都為80 m，其中2 MW風(fēng)機葉片直徑96 m，2.5 MW風(fēng)機葉片直徑103 m。本文重點研究風(fēng)電特征，以提高風(fēng)力能源資源利用率，為日常風(fēng)電管理提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

所用資料取自2018年1月至2020年12月白巖山風(fēng)電場16號機(以下簡稱白巖山站，海拔500 m)記錄到的低空10、50、70、80 m風(fēng)向風(fēng)速，以及有效風(fēng)功率數(shù)據(jù)，時間分辨率15 min，數(shù)據(jù)完整率84.7%，其中2018年數(shù)據(jù)較為完整，達(dá)98.8%，2019年和2020年由于檢修維護(hù)等原因，數(shù)據(jù)完整率分別為71.6%和83.7%。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速與風(fēng)向

2.1.1 風(fēng)速

圖1表明，10 m高度風(fēng)速大多在<6 m·s-1，其中，1～4 m·s-1占總樣本的60%左右，風(fēng)速>6 m·s-1的占10%，>10 m·s-1的占0.5%左右；50、70、80 m 3個高度的風(fēng)速分布特征基本相似，但明顯右偏，峰值基本都出現(xiàn)3～5 m·s-1，風(fēng)速在6～10 m·s-1出現(xiàn)的頻率也明顯高于10 m高度，>10 m·s-1的占比為5%左右。由于風(fēng)機運行需要滿足一定的風(fēng)速條件，以16號風(fēng)機為例，運行的切入風(fēng)速為3 m·s-1，<3 m·s-1時很難輸出風(fēng)功率，而為了保證風(fēng)機在極端大風(fēng)下的安全，風(fēng)速達(dá)到25 m·s-1將停止運行，進(jìn)入切出保護(hù)。在3～25 m·s-1可發(fā)電風(fēng)速中，又可分為3～10 m·s-1未滿負(fù)荷運行和10～25 m·s-1滿負(fù)荷運行。根據(jù)上述風(fēng)速劃分，統(tǒng)計各區(qū)間風(fēng)速出現(xiàn)的頻率，可以看到風(fēng)機高度(80 m)可利用的風(fēng)速占比約82.6%，其中，3～10 m·s-1未滿負(fù)荷占76.5%，10～25 m·s-1滿負(fù)荷占6.1%，不可發(fā)電風(fēng)速占17.3%(表1)。轉(zhuǎn)換為小時數(shù)，年有效風(fēng)時數(shù)達(dá)7 200 h左右。

圖1 白巖山風(fēng)電場風(fēng)速頻率的分布

表1 白巖山風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能利用的年小時數(shù)

圖2表明，全年10～80 m層高平均風(fēng)速依次為3.4、5.2、5.4、5.6 m·s-1，風(fēng)速隨高度基本呈指數(shù)分布，擬合指數(shù)(簡稱風(fēng)廓線指數(shù)，下同)為0.244(R2為0.995，通過0.001顯著性檢驗)，這與眾多文獻(xiàn)的結(jié)論一致。從各月平均風(fēng)速看，月平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在12月，其次為8月；最小值出現(xiàn)在6月，其次為5月；其他月份則與年平均風(fēng)速較為接近。這種風(fēng)速月際分布特征與寧波地區(qū)的氣候特征密切相關(guān)，寧波地區(qū)處于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季多冷空氣大風(fēng)，夏季易受臺風(fēng)影響，因此，風(fēng)能資源較為豐富，而春末夏初屬季節(jié)過渡期，冷空氣和臺風(fēng)影響均較少，是全年中風(fēng)能資源相對匱乏的月份。從擬合曲線看，盡管各月平均風(fēng)速存在明顯差異，但均遵循指數(shù)分布，指數(shù)最大出現(xiàn)在6月，最低出現(xiàn)在1月，1—4月、9—10月低于全年統(tǒng)計值，其他月份則高于全年值。由于下墊面粗糙度和近地層大氣穩(wěn)定度是影響風(fēng)廓線指數(shù)的主要因素，下墊面越粗糙、大氣越穩(wěn)定，風(fēng)廓線指數(shù)越大，反之越小。統(tǒng)計表明在同一季節(jié)不同月份，在下墊面粗糙度和天氣系統(tǒng)的綜合影響下，風(fēng)廓線指數(shù)存在明顯差異，因此，利用基于全年甚至單個季節(jié)的風(fēng)廓線統(tǒng)計指數(shù)進(jìn)行風(fēng)速高度推算時需慎重。

圖例數(shù)據(jù)為各月風(fēng)廓線指數(shù)

圖3基于全年樣本統(tǒng)計的不同層高風(fēng)速日變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，高、低層風(fēng)速日變化特征有明顯差異。50、70和80 m的風(fēng)速日變化特征基本相似，風(fēng)速在夜間相對穩(wěn)定，早晨6：00前后起風(fēng)速下降，9：00起增強；而10 m高度風(fēng)速在夜間同樣穩(wěn)定，但在6：00起逐漸增強，峰值出現(xiàn)在14：00前后，以后逐漸減弱。這種特征與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)，夜間大氣相對穩(wěn)定，高低層動量交換小，風(fēng)速差異更大；白天日出前后由于太陽輻射使得地面加熱，近地層大氣趨于不穩(wěn)定，高低層動量交換使得風(fēng)速垂直切變減小。

圖3 風(fēng)速日變化(a.不同層高全年平均風(fēng)速，b.10 m高度不同月份平均風(fēng)速，c.80 m高度不同月份平均風(fēng)速)

綜合來看，6月風(fēng)速值在全年中相對最小，是安排時間較長的大檢修最佳時間，6：00—9:00是風(fēng)速值在全天中最小時段，短時的風(fēng)機自主檢查維護(hù)可安排在該時間段進(jìn)行。

2.1.2 風(fēng)向

由于寧波處于季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)存在明顯的盛行風(fēng)向，且風(fēng)向季節(jié)差異明顯。從圖4可以看出，白巖山站各高度風(fēng)向分布基本一致，全年主導(dǎo)風(fēng)向均為偏北風(fēng)，占比23%左右，其次為偏南風(fēng)，一般可達(dá)22%左右，NE、NW、SE 3個風(fēng)向比例相近，均在12%左右，其余風(fēng)向(SW、W、E)占比均<9%。

圖4 白巖山風(fēng)電場各高度層次風(fēng)向頻次玫瑰

主導(dǎo)風(fēng)向的一致性好，可有效減少風(fēng)機偏航角度的調(diào)整頻率，從而提高風(fēng)能利用率。為分析日內(nèi)風(fēng)向的一致性，圖5給出80 m高度年內(nèi)逐日風(fēng)向頻率。分析表明，1～60 d(1—2月)以及240～365 d(9—12月)主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)，120～210 d(5—7月)主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)，這段時間內(nèi)風(fēng)機角度可較少的調(diào)整，風(fēng)能利用率較高，而60～90 d(3—4月)以及210～240 d(8月)主導(dǎo)風(fēng)向較為發(fā)散，尤其是8月，作為平均風(fēng)速第二大的月份，需要頻繁進(jìn)行風(fēng)機偏航角度調(diào)整，從而盡量提高風(fēng)能利用率。

圖5 白巖山風(fēng)電場層高80 m年內(nèi)逐日風(fēng)向頻率

2.2 風(fēng)功率

由于檢修維護(hù)等原因，2019—2020年數(shù)據(jù)部分缺失，因此，有效功率(發(fā)電量)分析主要以2018年的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

2.2.1 有效風(fēng)功率與風(fēng)速

圖6 白巖山風(fēng)電場有效功率與風(fēng)速散點對比圖(2018年)

2.2.2 有效風(fēng)功率和有效風(fēng)時數(shù)月變化

經(jīng)統(tǒng)計，2018年該電機發(fā)電總量為162.22 GW·h，年有效小時數(shù)7 742 h。從月分布(圖7)看，12月發(fā)電量最大，達(dá)21.97 GW·h，有效小時數(shù)685 h；3月發(fā)電量次之，為18.14 GW·h，有效小時數(shù)705 h；6月發(fā)電量和有效小時數(shù)均為全年最小，分別為5.85 GW·h和596 h。對比月平均風(fēng)速分布特征可以看出，8月為平均風(fēng)速全年第二高的月份，但月發(fā)電量不及3月，主要原因是該月大風(fēng)多為臺風(fēng)和強對流影響，風(fēng)速波動大，多10.5 m·s-1以上的大風(fēng)，風(fēng)機易進(jìn)入滿負(fù)荷狀態(tài)，而3月盡管平均風(fēng)速較低，但有效小時數(shù)為全年最高，因此，有效風(fēng)功率較高。

圖7 白巖山風(fēng)電場發(fā)電量和有效小時數(shù)逐月分布

3 小結(jié)

對寧波市鄞州區(qū)白巖山風(fēng)電場2018—2020年的風(fēng)速風(fēng)向及風(fēng)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：1)在80 m風(fēng)機高度，不可發(fā)電弱風(fēng)速占17.3%，可發(fā)電風(fēng)速小時數(shù)占全年82.6%；月平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在12月，其次為8月，最小值出現(xiàn)在6月，其次為5月，其他月份則與年平均風(fēng)速較為接近。6月風(fēng)速值在全年中相對最小，是安排時間較長的大檢修最佳時間；6：00—9:00是風(fēng)速值在全天中最小時段，短時的檢修可安排在這段時間進(jìn)行。2)平均風(fēng)速隨高度基本呈指數(shù)分布，擬合指數(shù)為0.244；由于下墊面和天氣系統(tǒng)差異，同一季節(jié)不同月份，風(fēng)廓線指數(shù)存在明顯差異。3)白巖山站存在顯著的季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向，1—2月、9—12月主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)，5—7月主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)，這段時間內(nèi)風(fēng)機角度可較少調(diào)整，風(fēng)能利用率較高；3—4月以及8月主導(dǎo)風(fēng)向較為發(fā)散，尤其是8月，作為平均風(fēng)速第二大的月份，需要頻繁進(jìn)行風(fēng)機角度調(diào)整，從而盡量提高風(fēng)能利用率。4)2018年風(fēng)機發(fā)電總量為162.22 GW·h，年有效小時數(shù)7 742 h，12月發(fā)電量最大，3月發(fā)電量次之，6月發(fā)電量和有效小時數(shù)均為全年最小。

4 思考

2019年，鄞州列入全國鄉(xiāng)村治理體系建設(shè)試點示范縣(區(qū))，獲評農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國農(nóng)村創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)典型縣，成為中國最具幸福感城市和浙江縣域社會治理“十佳”縣(市、區(qū))，還被評為浙江省綠色發(fā)展先行區(qū)。白巖山風(fēng)電場緊緊圍繞美麗和諧風(fēng)電建設(shè)，出色的人文自然環(huán)境，被媒體、網(wǎng)友譽為寧波最美風(fēng)車公路，為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)旅游作出了巨大貢獻(xiàn)。因生態(tài)環(huán)境復(fù)綠效果較好，部分建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)被浙江省能源局采納，作為浙江省陸上風(fēng)電與美麗景觀建設(shè)指導(dǎo)意見予以推廣。做好風(fēng)的預(yù)報預(yù)測服務(wù)，提高風(fēng)電場的預(yù)報準(zhǔn)確度，尤其是臺風(fēng)過程期間的預(yù)報準(zhǔn)確率，是風(fēng)電高效安全運維的關(guān)鍵。下一步，我們將重點研究高山地形條件下風(fēng)的短期預(yù)報，為風(fēng)電場短期風(fēng)預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)支撐，發(fā)揮風(fēng)電最大效能，助力鄞州鄉(xiāng)村振興。