何如，譚敏玲，羅紅磊，盧小鳳

（廣西氣象服務(wù)中心，南寧　530022）

南寧市橫縣地區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估

何如，譚敏玲，羅紅磊，盧小鳳

（廣西氣象服務(wù)中心，南寧530022）

基于廣西南寧市橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔2012年5月～2013年4月的觀測(cè)資料，計(jì)算了風(fēng)速、風(fēng)功率密度等參數(shù)，利用風(fēng)能資源評(píng)估方法分析了當(dāng)?shù)馗黜?xiàng)風(fēng)能資源參數(shù)的變化規(guī)律及其特征，評(píng)估了該地區(qū)的風(fēng)能資源狀況。結(jié)果表明：觀測(cè)年度10～80m年平均風(fēng)速和年平均風(fēng)功率密度在4.7～7.2m·s-1、190.7～396.0W·m-2之間，且隨著高度的增加而增大；3～25m·s-1風(fēng)速小時(shí)數(shù)在5207～8052h之間；最多風(fēng)向?yàn)槠珫|北風(fēng)，風(fēng)能密度主要集中在NNE方向上，累計(jì)頻率達(dá)76.1%；50m高度上的年平均風(fēng)功率密度為332.3W·m-2，風(fēng)能資源等級(jí)為3級(jí)（＞300W·m-2），表明該地區(qū)的風(fēng)能資源比較豐富。

風(fēng)能資源；評(píng)估；風(fēng)速；風(fēng)功率密度；橫縣

在資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，風(fēng)能資源作為可再生能源中成本較低、技術(shù)較成熟、可靠性較高的新能源，在廣西開(kāi)發(fā)速度迅猛、風(fēng)電容量集聚增大。風(fēng)力發(fā)電在廣西綠色能源產(chǎn)業(yè)扮演著重要角色，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重要舉措。在當(dāng)前風(fēng)電迅猛發(fā)展的新形勢(shì)下，做好風(fēng)能資源豐富、具有開(kāi)發(fā)前景地區(qū)的風(fēng)能資源評(píng)估工作意義重大。

南寧市橫縣地區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)中部，地形以山地丘陵為主，擬建風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)風(fēng)能資源較好，具備一定的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。本文利用橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)資料，根據(jù)相關(guān)的風(fēng)能資源評(píng)估規(guī)范，對(duì)橫縣地區(qū)的風(fēng)能資源狀況進(jìn)行分析評(píng)估，為合理有效的開(kāi)發(fā)利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)有關(guān)部門制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、促進(jìn)廣西經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1　資料和方法

1.1資料

利用南寧市橫縣地區(qū)一座測(cè)風(fēng)塔（80m高）在2012年5月1日至2013年4月30日期間的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫的觀測(cè)資料，以及橫縣氣象站的地面氣象觀測(cè)資料，且測(cè)風(fēng)塔和氣象站的資料均通過(guò)了有效質(zhì)量控制審核。測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)完整率為95.05%，滿足《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》［1］的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量要求。根據(jù)橫縣氣象參證站與測(cè)風(fēng)塔同期風(fēng)速相關(guān)關(guān)系進(jìn)行測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)訂正，得到連續(xù)一年測(cè)風(fēng)時(shí)段內(nèi)完整的測(cè)風(fēng)資料，用于計(jì)算測(cè)風(fēng)塔的各項(xiàng)風(fēng)能參數(shù)。

1.2方法

本文中空氣密度、風(fēng)功率密度、風(fēng)能密度、風(fēng)切變指數(shù)等風(fēng)能參數(shù)根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》［1］和《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》［2］中給出的方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）空氣密度

空氣密度計(jì)算公式：

式中ρ為氣密度（kg·m-3），R為氣體常數(shù)（287J· kg-1·K-1），P為氣壓（hPa），T為平均開(kāi)氏溫標(biāo)絕對(duì)溫度（℃+273）。

訂正高度處的空氣密度：

式中ρz為訂正高度z處的空氣密度（kg·m-3），ρh為實(shí)際觀測(cè)高度h處的空氣密度（kg·m-3）。

根據(jù)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的氣壓、氣溫?cái)?shù)據(jù)，利用公式（1）、（2）計(jì)算測(cè)風(fēng)塔80m高度各月空氣密度。

（2）平均風(fēng)功率密度

平均風(fēng)功率密度計(jì)算公式：

式中Dwp為設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度（W·m-2），n為設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)，vi為第i個(gè)記錄風(fēng)速（m·s-1）值，ρ為空氣密度（kg·m-3）。

（3）風(fēng)能密度

風(fēng)能密度計(jì)算公式：

式中DWE為風(fēng)能密度（W·h·m-2），n為風(fēng)速區(qū)間數(shù)目，ρ為空氣密度（kg·m-3），νi為第i風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速值（m·s-1），ti為某扇區(qū)或全方位第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速發(fā)生的時(shí)間（h）。

（4）風(fēng)切變指數(shù)

近地層風(fēng)速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)。在廣西地區(qū)冪指數(shù)公式比對(duì)數(shù)公式可以更精確地?cái)M合風(fēng)速的垂直廓線。本文的風(fēng)切變指數(shù)采用冪指數(shù)公式：

式中V2為高度Z2處的風(fēng)速（m·s-1），V1為高度Z1處的風(fēng)速（m·s-1），Z1一般取10m高度，α為風(fēng)切變指數(shù)，其值的大小表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

2　測(cè)風(fēng)塔所在地氣候概況

測(cè)風(fēng)塔地處南寧市橫縣地區(qū)，位于廣西中部，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)日照充足，氣候溫暖，雨量充沛，夏長(zhǎng)冬短，無(wú)霜期長(zhǎng)。全年無(wú)霜期362天，多年平均氣溫21.5℃，一月最冷，月平均氣溫12.1℃，七月最熱，月平均氣溫28.4℃。多年平均降雨量1450.3mm，雨季集中在汛期4～9月，年平均相對(duì)濕度79%；年平均日照1649.4h。

3　風(fēng)能資源評(píng)估

3.1空氣密度

利用公式（1）、（2）計(jì)算得出測(cè)風(fēng)塔80m高度的年平均空氣密度為1.145kg·m-3，各月空氣密度在1.113～1.193kg·m-3之間，由于空氣熱脹冷縮的原理，因此測(cè)風(fēng)塔夏季的空氣密度較小，冬季相對(duì)較大，尤其在氣溫最高的8月份空氣密度最小，在氣溫最低的1月份空氣密度最大。

3.2風(fēng)能參數(shù)總體評(píng)價(jià)

圖1　測(cè)風(fēng)塔80m高度空氣密度各月分布圖

利用公式（3）、（4）計(jì)算得出橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)能參數(shù)（表1），測(cè)風(fēng)塔10～80m高度3.0～25.0m·s-1等級(jí)風(fēng)速小時(shí)數(shù)為5207～8052h，占全年的59%～92%，其中50m高度以上的有效風(fēng)時(shí)數(shù)百分率均在90%以上，全年可發(fā)電小時(shí)數(shù)較高。測(cè)風(fēng)塔10～80m高度的平均風(fēng)速為4.7～7.2m·s-1，平均風(fēng)功率密度為190.7～396.0W·m-2，且隨著高度的增加而增大。按照文獻(xiàn)［1］中風(fēng)功率密度50m高度的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到橫縣地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源等級(jí)為3級(jí)（＞300W·m-2），風(fēng)能資源較好。

表1　橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)能參數(shù)表

3.3風(fēng)速的垂直變化

根據(jù)橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)時(shí)段各高度的日平均風(fēng)速實(shí)測(cè)值，利用公式（5）推算得到風(fēng)切變指數(shù)為0.205。實(shí)測(cè)和擬合的風(fēng)速廓線見(jiàn)圖2，可見(jiàn)平均風(fēng)速隨高度逐層遞增，風(fēng)速垂直切變基本符合冪指數(shù)規(guī)律。由于風(fēng)切變較大，在進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型時(shí)，可以適當(dāng)提高輪轂高度，提高風(fēng)能利用率。

圖2　測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速廓線

3.3風(fēng)速和風(fēng)功率密度月變化、日變化特征

風(fēng)速和風(fēng)功率密度是風(fēng)能資源參數(shù)中最能直接表達(dá)風(fēng)能資源大小狀況的參數(shù)。風(fēng)速和風(fēng)功率密度的月變化幅度較大，平均風(fēng)速在5.4～9.2m·s-1之間，最大最小風(fēng)速差值為3.8m·s-1；各月平均風(fēng)功率密度在154.1～848.6W·m-2之間，最大最小風(fēng)功率密度差值為694.5W·m-2。由圖3可見(jiàn)，平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度的月變化規(guī)律基本一致，均在11月至翌年2月相對(duì)較大，6月～8月相對(duì)較小，其中12月最大，8月最小。因此，冬季、春季是橫縣地區(qū)風(fēng)能資源利用的最佳時(shí)期，秋季次之，夏季最差。

圖3　測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度月變化曲線

測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速日變化的范圍為6.4～7.7m·s-1，平均風(fēng)功率密度的范圍為312.1～464.8W·m-2。平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度的日變化特征都變現(xiàn)為白天小、夜間大的規(guī)律（圖4），即上午9點(diǎn)到下午20點(diǎn)期間風(fēng)速相對(duì)較小，最小值出現(xiàn)在14～15點(diǎn)；21點(diǎn)至次日上午8點(diǎn)期間風(fēng)速相對(duì)較大，最大值出現(xiàn)在05點(diǎn)。風(fēng)速、風(fēng)功率密度都呈現(xiàn)這樣的規(guī)律是由于測(cè)風(fēng)塔海拔位置較高，白天湍流交換強(qiáng)，動(dòng)量下傳到較低海拔地方，致使山上白天風(fēng)速和風(fēng)功率密度偏?。?］。由此可見(jiàn)，夜間尤其是凌晨一般是一天之中風(fēng)能資源最好的時(shí)段。

圖4　測(cè)風(fēng)塔80m平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度日變化曲線

3.4風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布特征

風(fēng)速頻率分布與風(fēng)能頻率分布特征有明顯的差異（圖5），測(cè)風(fēng)塔80m高度有效風(fēng)速頻率為91.9%，且頻率較大的風(fēng)速段大致集中在3～10m·s-1，所占比例為76.9%；風(fēng)能頻率主要集中在7～15m·s-1，所占比例為70.5%。另外，風(fēng)速和風(fēng)能密度的分布較為對(duì)稱，由于風(fēng)電場(chǎng)屬低風(fēng)速型風(fēng)電場(chǎng)，這樣更有利于風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能資源的利用。

圖5　測(cè)風(fēng)塔80m風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布直方圖

3.5風(fēng)向和風(fēng)能密度分布

風(fēng)向分布和風(fēng)能密度分布基本一致（圖6），測(cè)風(fēng)塔80m高度的年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|北風(fēng)（NNE方向），占全年風(fēng)向頻率的37.4%；風(fēng)能密度分布也主要集中在NNE方向上，占全年的76.1%。由此可見(jiàn)，測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)能很好的集中在NNE方向上，有利于風(fēng)機(jī)排布和提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電力。

圖6　測(cè)風(fēng)塔80m風(fēng)向玫瑰圖（左）和風(fēng)能密度玫瑰圖（右）

4　結(jié)論

（1）南寧市橫縣地區(qū)測(cè)風(fēng)塔所在地位于廣西中部，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候類型，日照充足，氣候溫暖，雨量充沛，夏長(zhǎng)冬短，無(wú)霜期長(zhǎng)。

（2）測(cè)風(fēng)塔10～80m高度的年平均風(fēng)速為4.7～7.2m·s-1，年平均風(fēng)功率密度為190.7～396.0W·m-2，且隨著高度的增加而增大；50m高度上的年平均風(fēng)功率密度為332.3W·m-2，該地區(qū)風(fēng)能資源等級(jí)達(dá)到了3級(jí)（＞300W·m-2），說(shuō)明該地區(qū)的風(fēng)能資源比較豐富。

（3）測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)功率密度的月變化和日變化均較大，一年之中的11月至翌年2月是橫縣地區(qū)風(fēng)能資源利用的最佳時(shí)期；一天之中在夜間21點(diǎn)至次日上午8點(diǎn)期間是風(fēng)能資源最好的時(shí)段。

（4）測(cè)風(fēng)塔各高度3～25m·s-1風(fēng)速小時(shí)數(shù)為5207～8052h，全年可發(fā)電小時(shí)數(shù)較高。有效風(fēng)速頻率為91.9%，頻率較大的風(fēng)速段主要集中在3～10m· s-1，占76.9%，風(fēng)能頻率較高的風(fēng)速段主要集中在7～15m·s-1，占70.5%，風(fēng)速和風(fēng)能分布較為對(duì)稱，有利于風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能資源的利用。

（5）該地區(qū)的年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|北風(fēng)（NNE方向），風(fēng)能密度也主要集中在NNE方向上，累計(jì)頻率達(dá)76.1%，風(fēng)能較為集中，有利于風(fēng)機(jī)的排布、穩(wěn)定運(yùn)行和提高發(fā)電力。

（6）測(cè)風(fēng)塔的年空氣密度為1.145kg·m-3，冬季相對(duì)較大，夏季空氣密度較小。測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)為0.205，風(fēng)切變較大，風(fēng)速隨高度逐層遞增，基本符合冪指數(shù)規(guī)律，因此在風(fēng)機(jī)選型時(shí)可以適當(dāng)提高輪轂高度以更好地利用風(fēng)能。

［1］中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢公司.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法（GB/T 18710—2002）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

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Evaluation on Wind Energy Resources of Wind Farm in Hengxian Area of Nanning

He Ru，Tan Min-ling，Luo Hong-lei，Lu Xiao-feng
（Guangxi Meteorological Service Center，Nanning，Guangxi，530022）

Based on wind tower data from May 2012 to April 2013 in Hengxian of Nanning，Wind velocity and average specific energy of wind were calculated.Wind Energy Evaluation methods were used to analyze the variation and characteristics of various wind energy parameters and evaluate of wind energy resource.The results show that during the period of time，the annual average wind speed and specific energy of 10～80m fall in between 4.7～7.2 m·s-1and 190.7～396.0W·m-2respectively，a rise with height is noted.Time of wind velocity in between 3～25 m·s-1on all heights of wind tower lays in between 5207 and 8052 hours，winds most frequently come from NNE.Wind power density is concentrated in NNE，accumulated frequencies can reach76.1%.The wind specific energy of 50m is 332.3 W·m-2，reaching level3 wind energy standard（＞300 W·m-2），indicating that wind power resources of this area are quite abundant.

wind energy resource；evaluation；wind speed；wind power density；Hengxian

P425.6+3

A

1673-8411（2015）03-0059-05

2014-12-18

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015GXNSFBA139189）

何如（1983-），女，廣西柳州人，碩士研究生，工程師，主要從事氣象資源開(kāi)發(fā)和氣候可行性論證工作。