風(fēng)能資源分析和評(píng)估

1、1風(fēng)能資源分析和評(píng)估風(fēng)能資源分析和評(píng)估中國電力科學(xué)研究院中國電力科學(xué)研究院 陳默子陳默子2006.1.92主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 風(fēng)能資源1.1 風(fēng)的形成1.2 風(fēng)的測(cè)量1.3 風(fēng)能資源評(píng)估的參考判據(jù) 1.4 風(fēng)的特性2. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響2.1 概述2.2 粗糙度2.3 障礙物2.4 地形信息3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法3.1 基本方法3.2 WindPro對(duì)象介紹3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得3.4 風(fēng)資源分布圖3.5 尾流計(jì)算3.6 發(fā)電量計(jì)算3.7 風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目發(fā)電損失和誤差3v大氣環(huán)流： 風(fēng)是由太陽的熱輻射和地球自轉(zhuǎn)的作用，在大范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣流流動(dòng)。v季風(fēng)環(huán)流： 由于海陸差異、行星風(fēng)

2、帶的季節(jié)轉(zhuǎn)化及地形特征引起的，盛行風(fēng)向（氣壓系統(tǒng)）有明顯的季節(jié)變化。v局地環(huán)流： 由于地球上局地因子的影響，區(qū)域性的氣流也可以改變?nèi)驓饬鞯臓顩r，從而產(chǎn)生局地性的氣流流動(dòng)。1. 風(fēng)能資源1.1 風(fēng)的形成 4大氣環(huán)流： v氣壓梯度力地球繞太陽轉(zhuǎn)，地球表面受熱不均，增熱程度隨緯度增高而降低，溫差引起大氣層空氣壓力不均衡。北半球空氣向北流動(dòng)。v地球自轉(zhuǎn)偏向力北半球，氣流向右（向東）偏轉(zhuǎn)；地球偏向力在赤道為零，隨著緯度的增高而增大，在極地達(dá)到最大。1. 風(fēng)能資源1.1 風(fēng)的形成 51. 風(fēng)能資源大氣環(huán)流： v大氣環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下,形成三圈環(huán)流 環(huán)流圈伸曲高度：赤道最高，中緯度次之，極地最低

3、 赤道緯度30N環(huán)流圈緯度3060N環(huán)流圈 緯度6090N環(huán)流圈1.1 風(fēng)的形成赤道30度60度赤道低壓帶東北信風(fēng)帶副極地低壓帶副極地低壓帶盛行西帶風(fēng)北極極地高壓帶極地東風(fēng)帶副熱帶高壓帶6季風(fēng)環(huán)流v海陸分布的作用：海洋熱容量遠(yuǎn)大于陸地 冬季：陸地比海洋冷，大陸氣壓高于海洋； 氣壓梯度力：大陸-海洋，西北風(fēng)； 夏季：陸地比海洋熱，陸地氣壓低于海洋； 氣壓梯度力：海洋-大陸。 地球上5個(gè)風(fēng)帶，南北半球?qū)ΨQ，北半球3個(gè)風(fēng)帶；夏季均向北移動(dòng) 、冬季則向南移動(dòng)；冬季西風(fēng)帶的南緣地帶在夏季可以變成東風(fēng)帶。v地形特征引起 典型：青藏高原，冬夏溫度相對(duì)周圍地區(qū)變化大。 1. 風(fēng)能資源1.1 風(fēng)的形成7局地環(huán)流

4、v海陸風(fēng)：由大陸與海洋溫差轉(zhuǎn)變引起海岸附近以一日為周期的海陸風(fēng)，形成原因與季風(fēng)相同，但以日為周期，范圍小，勢(shì)力弱。v山谷風(fēng)：山地附近山坡與周圍空氣受熱不同形成白天，山坡接受太陽光熱多，被加熱的暖空氣不斷上升，而谷底上空相對(duì)較冷的空氣則下沉補(bǔ)充，形成山谷風(fēng)環(huán)流。晚間山坡降溫快，于是又形成了相反的環(huán)流。 1. 風(fēng)能資源1.1 風(fēng)的形成81. 風(fēng)能資源測(cè)量位置v測(cè)量位置的代表性 所選測(cè)量位置的風(fēng)況應(yīng)基本代表該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況； 測(cè)量位置附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等： 與單個(gè) 障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍； 與成排 障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的10倍以上； 測(cè)量位置應(yīng)在風(fēng)場(chǎng)主風(fēng)向的上風(fēng)向；v測(cè)量位置數(shù)量，

5、依地形復(fù)雜程度而定。1.2 風(fēng)的測(cè)量91. 風(fēng)能資源測(cè)量參數(shù)v風(fēng)速測(cè)量 10min平均風(fēng)速，用于風(fēng)能資源計(jì)算； 小時(shí)平均風(fēng)速，通過10min平均風(fēng)速獲得； 極大風(fēng)速, 3秒采樣一次的最大值，用于安全計(jì)算v風(fēng)向測(cè)量 與風(fēng)速同步采集 16個(gè)扇區(qū)v氣溫 每小時(shí)采樣一次并紀(jì)錄v大氣壓 每小時(shí)采樣一次并紀(jì)錄1.2 風(fēng)的測(cè)量101. 風(fēng)能資源風(fēng)玫瑰圖 表示各種風(fēng)向出現(xiàn)的頻率1.2 風(fēng)的測(cè)量111. 風(fēng)能資源風(fēng)玫瑰圖1.2 風(fēng)的測(cè)量圖24 潘家測(cè)風(fēng)塔與通榆氣象站風(fēng)向玫瑰圖0.05.010.015.020.025.030.0NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSWWWNWNWNNW潘家10m潘家

6、30m潘家40m氣象站單位：測(cè)站靜風(fēng)：0氣象站靜風(fēng)：1.2氣象站有誤數(shù)據(jù)：0.1121. 風(fēng)能資源測(cè)量儀器v測(cè)風(fēng)儀：風(fēng)速傳感器風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)采集器（保存不低于3個(gè)月，低溫）v大氣溫度計(jì)v大氣壓力計(jì)v測(cè)量儀器應(yīng)經(jīng)過校準(zhǔn)1.2 風(fēng)的測(cè)量131. 風(fēng)能資源測(cè)量設(shè)備的安裝v測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，應(yīng)能承受30年一遇最大風(fēng)力沖擊v表面應(yīng)防鹽霧腐蝕 1.2 風(fēng)的測(cè)量測(cè)風(fēng)塔一處兩處以上測(cè)風(fēng)塔高度不低于輪轂高度不低于輪轂高度；10m整數(shù)倍測(cè)風(fēng)儀數(shù)量應(yīng)有3層至少2層測(cè)風(fēng)儀位置10m高度；輪轂中心高度；10m高度整數(shù)倍10m高度；輪轂中心高度；其余10m高度整數(shù)倍141. 風(fēng)能資源IEC61400-12 安裝要求1.2

7、 風(fēng)的測(cè)量151. 風(fēng)能資源v風(fēng)功率密度，蘊(yùn)含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響，是風(fēng)場(chǎng)的綜合指標(biāo)v風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向分布v風(fēng)速的日變化和年變化v湍流強(qiáng)度 0.10較小, 0.100.25中等, 0.25過大。v極大風(fēng)速（每3s采樣一次的最大的風(fēng)速值）v低氣溫（氣溫低于-30）v其他，雷電、電線結(jié)冰、沙暴、鹽霧1.3 風(fēng)能資源評(píng)估的參考判據(jù) 161. 風(fēng)能資源平均風(fēng)功率密度和有效風(fēng)功率密度v平均風(fēng)功率密度：設(shè)定時(shí)段內(nèi)的逐小時(shí)風(fēng)功率密度的平均值1.3 風(fēng)能資源評(píng)估的參考判據(jù) 3121iniWPnD 3121iniWPnDi第i次記錄的風(fēng)速(m/s) 空氣密度(kg/m3) 有效風(fēng)功率密度：風(fēng)速只

8、計(jì)切入風(fēng)速到切除風(fēng)速之間的 17風(fēng)功率密度等級(jí)表風(fēng)功率密度等級(jí)10m 高度30m 高度50m 高度風(fēng)功率密度w/m2年平均風(fēng)速參考值m/s風(fēng)功率密度w/m2年平均風(fēng)速參考值m/s風(fēng)功率密度w/m2年平均風(fēng)速參考值m/s11004.41605.10.5392. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響2.3 障礙物v障礙物與粗糙度區(qū)分 以下情況作為粗糙度來考慮，否則作為障礙物處理：設(shè)障礙物高度為h，如果（風(fēng)機(jī)輪轂高度葉片半徑） 3h,且 風(fēng)機(jī)距障礙物的距離 50h或風(fēng)機(jī)輪轂高度 h,且風(fēng)機(jī)距障礙物的距離 1000m 4kmhhHR3h402. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響v用

9、等高線（height contour line)v需定義約510km半徑范圍 v由于氣流通過山地時(shí)被壓縮，風(fēng)速增加2.4 地形信息 （orography）412. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響氣流通過山地，位于小山丘上的WTG出力的增加與山丘頂部圓的半徑的關(guān)系 2.4 地形信息 2.4 地形信息 （orography）422. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響2.4 地形信息 2.4 地形信息 （orography）WAsP極坐標(biāo)計(jì)算，原點(diǎn)處計(jì)算精度高； 432. 復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響RIXRuggedness IndexvRiso 的概念，

10、v陡度系數(shù)20%以內(nèi)WAsP有效 2.4 地形信息 2.4 地形信息 （orography）443.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 估計(jì)/計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)出力基本上有2種不同的方法v基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)測(cè)量（12 個(gè)扇區(qū)）的氣象數(shù)據(jù)和Weibull分布。v借助于計(jì)算機(jī)模型，如風(fēng)圖譜（Wind Atlas）或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，指下圖Lib文件要求有數(shù)字地形描述 ： 區(qū)域風(fēng)統(tǒng)計(jì)值 當(dāng)?shù)氐雀呔€ 粗糙度 障礙物453.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 WAsP兩條主線：1. 4個(gè)輸入， 得到風(fēng)圖譜(Wind Atl

11、as). 給出標(biāo)準(zhǔn)狀況下風(fēng)的概率分布,一般為Weibull分布。2. 以所得到的風(fēng)圖譜為基礎(chǔ)，加上4個(gè)輸入，計(jì)算出風(fēng)機(jī)在該點(diǎn)的理論年發(fā)電量;可求出一定范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)的最佳放置點(diǎn)。463.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.1 基本方法基本方法 473.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.2 WindPro對(duì)象介紹 483.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.2 WindPro對(duì)象介紹 計(jì)算結(jié)果可以存為WAsP LIB文件也可以存為 WindPRO wind statistic 文件 493.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)

12、能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.2 WindPro對(duì)象介紹 Site Data 對(duì)象：Atlas和WAsP的接口 和 Resources的接口 根據(jù)應(yīng)用，site對(duì)象可以使用不同的顏色，如:黑用于 Atlas，藍(lán)用于WAsP，淡藍(lán)用于Atlas& WAsP，黃用于STATGEN，綠用于RESGEN 503.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.2 WindPro對(duì)象介紹 Area對(duì)象，用于：粗糙度區(qū)域（用roughness line 圍起）Wind ResourcesSteepness region line 對(duì)象,用于等高線和粗糙度線 result 對(duì)象，在屏

13、幕上表示W(wǎng)ind Resource Map 513. 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 MCP(Measure Correlate Predict)v測(cè)量的短期數(shù)據(jù)(site) 1-1.5年，風(fēng)速、風(fēng)向v短期數(shù)據(jù)(reference站)，與site的短期數(shù)據(jù)同時(shí)間的，風(fēng)速、風(fēng)向、溫差v長期數(shù)據(jù)(reference站) 10-20年，風(fēng)速、風(fēng)向、溫差v模型：把數(shù)據(jù)校正到現(xiàn)場(chǎng)(site)的長期期望值vreference站數(shù)據(jù)(NCAR, WorldWindAtlas，)523.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.3 風(fēng)資源

14、數(shù)據(jù)的獲得 MCP 53v應(yīng)用條件：site的短期數(shù)據(jù)要與reference站的參考站數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。相關(guān)含義：找出site數(shù)據(jù)和reference站數(shù)據(jù)是否表示同樣的風(fēng)狀況(wing climate)v質(zhì)量控制長期的增減趨勢(shì)測(cè)風(fēng)位置變動(dòng) 測(cè)風(fēng)儀器更換 3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 543.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 v檢查小尺度的風(fēng)速和風(fēng)向變化是否匹配3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 553.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 v檢查大尺度的風(fēng)速和風(fēng)向變化是否匹配3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 5

15、63.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 v風(fēng)速的線性關(guān)系分析 3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 573.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 v風(fēng)向變化分析 3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 58v輸入：數(shù)字化的粗糙度圖 a digital roughness map 地形信息 Digitized Height Contour Lines 障礙物數(shù)據(jù) Local Obstacles區(qū)域的風(fēng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) Wind Statistics v輸出：.rsf文件格式的Wind Resource Map 風(fēng)資源分布圖 用來計(jì)算park作為WindSim 的輸入 3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資

16、源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.4 風(fēng)資源分布圖 593.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.4 風(fēng)資源分布圖 Global wind field 603.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.4 風(fēng)資源分布圖 Statistical Wind Field Model 450個(gè)氣象，氣象站之間內(nèi)插，考慮了等高線613.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法 3.4 風(fēng)資源分布圖 Mesoscale flow models 623.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法3.4 風(fēng)資源分布圖 6

17、33.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法流體模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中尺度流體模型 WAsP 等格網(wǎng)狀 極坐標(biāo)，對(duì)特定點(diǎn)計(jì)算， 一點(diǎn)精度高，但其它點(diǎn)差 3.4 風(fēng)資源分布圖 643.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法v影響尾流的參數(shù)v風(fēng)速v幾何參數(shù)葉片直徑hub高度距離v空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)推力系數(shù) Ctv湍流尾流衰減常數(shù)k粗糙度湍流模型v復(fù)蓋Coveragev扇區(qū)的頻度3.5 尾流計(jì)算65v尾流計(jì)算模型 N.O.Iesen,RISO3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法3.5 尾流計(jì)算2321xRRuvv 距葉片后x距離的風(fēng)速 u 葉片上風(fēng)向

18、的風(fēng)速 R 葉片半徑 尾流衰減常數(shù)(wake decay constant) 663.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法v尾流計(jì)算模型3.5 尾流計(jì)算673.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法v尾流衰減常數(shù)取決于湍流，因此就取決于粗糙度 3.5 尾流計(jì)算粗糙度等級(jí)尾流衰減常數(shù) 備注10.04off shore30.10.075缺省值683.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法v尾流衰減常數(shù)3.5 尾流計(jì)算粗糙度 693.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法3.6 發(fā)電量計(jì)算703.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估估方法方法v風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目1典型發(fā)電損失3.7 風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目發(fā)電損失和誤差出力損失來源風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目1典型出力損失電力系統(tǒng) 電力損失 電力系統(tǒng)可利用率1.5%0