霍麗芳，周彥麗，李彩娟

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市氣象局，河北 張家口 075000)

風(fēng)電場(chǎng)的建立與張家口風(fēng)速風(fēng)向的相關(guān)分析

霍麗芳1，周彥麗2，李彩娟1

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市氣象局，河北 張家口 075000)

將張家口近年風(fēng)電裝機(jī)容量和歷年氣象數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，研究風(fēng)電場(chǎng)建立與風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)性問(wèn)題。結(jié)果表明風(fēng)電裝機(jī)容量與風(fēng)速之間不具備顯著的相關(guān)性，與風(fēng)向之間有一定的相關(guān)性。

裝機(jī)容量;風(fēng)速;風(fēng)向;相關(guān)性;玫瑰圖

1 引 言

風(fēng)能是一種重要的可再生能源。張家口市地處河北省西北部，其典型的氣候特點(diǎn)是“風(fēng)力大”，具有非常豐富的風(fēng)能資源。風(fēng)力發(fā)電不消耗一次性能源，不污染環(huán)境，建設(shè)周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活，占地少，

對(duì)土地要求低，發(fā)電方式多樣化，具有很高的環(huán)境價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。在可再生綠色能源開(kāi)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(zhǎng)最快的能源，目前，中國(guó)正在逐年增大新能源發(fā)電的比例，積極推進(jìn)風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)。預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量將達(dá)到3 000萬(wàn)kW。因此，近年來(lái)張家口市抓住國(guó)家鼓勵(lì)清潔能源發(fā)展的良好機(jī)遇大力發(fā)展風(fēng)能開(kāi)發(fā)。截至目前，全市已建成風(fēng)電場(chǎng)87個(gè)，預(yù)計(jì)2015年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到700萬(wàn)KW以上(表1)，成為華北重要的新型能源產(chǎn)業(yè)基地。同時(shí)，隨著風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用，人們也開(kāi)始關(guān)注風(fēng)電場(chǎng)對(duì)環(huán)境和氣候的影響。有些學(xué)者研究分析了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)氣候變化的可能影響，提出了一些值得重視的問(wèn)題。本文將張家口近些年風(fēng)電裝機(jī)容量和歷年氣象數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，重點(diǎn)研究風(fēng)電場(chǎng)的建立與風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)性，并得出相應(yīng)結(jié)論。

2 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)張家口風(fēng)速變化的影響分析

圖1是1990-2013年張家口市四季平均風(fēng)速的變化。由圖1可以看出，四季平均風(fēng)速的年代際變化規(guī)律與年平均風(fēng)速基本一致。

圖2和圖3是2005-2011年張家口市年平均風(fēng)速和四季平均風(fēng)速的變化。從圖2可以看出，2005-2011年，張家口市年平均風(fēng)速整體呈遞減趨勢(shì)，6年間的遞減率約為0.019 m/s·a-1。由圖3可知，2005-2011年，除冬季平均風(fēng)速呈遞增趨勢(shì)外，春、夏、秋季張家口市平均風(fēng)速的變化與年平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致，均呈遞減趨勢(shì)。其中秋季平均風(fēng)速減小最明顯，六年間的遞減率約為0.049 m/s·a-1。

2005-2013年，張家口市的風(fēng)電臺(tái)數(shù)由53臺(tái)快速增加至4 265臺(tái)，風(fēng)場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。去掉臺(tái)站遷移原因，2005-2011年，張家口市年平均風(fēng)速的變化與本市風(fēng)電臺(tái)數(shù)和規(guī)模呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，年平均相關(guān)系數(shù)為-0.42，但并未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。四季中，秋季的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.92，并通過(guò)了顯著性水平為0.01的相關(guān)性檢驗(yàn)。風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)可能是造成2005-2011年張家口市風(fēng)速略有減小的原因之一，但其中仍存在很多不確定性因素，大氣環(huán)流的改變、全球溫度的變化、極端天氣的影響，以及城市化、植樹造林等人為改變的作用都可能引起張家口市風(fēng)速的變化，需要在以后的工作中進(jìn)行更嚴(yán)謹(jǐn)全面的研究。

3 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)張家口風(fēng)向變化的影響分析

圖4是1990-2013年張家口市年平均風(fēng)向變化。由圖4可以看出，張家口市的主導(dǎo)風(fēng)向是NNW，近20年的頻率約為37.55%，其次為NW、ESE和SE，頻率分別為16.92%、15.88%和6.26%。

圖5a-d是1990-2013年張家口市四季平均風(fēng)向的變化?？梢钥闯?，張家口市春季主導(dǎo)風(fēng)向是NNW，近20年的頻率約為32.16%，其次為ESE、NW和WNW，頻率分別為19.29%、18.52%和7.61%。張家口市夏季的主導(dǎo)風(fēng)向是ESE，近20年的頻率約為28.53%，其次為NNW、SE和NW，頻率分別為22.73%、11.73%和8.70%。張家口市秋季的主導(dǎo)風(fēng)向是NNW，近20年的頻率約為44.69%，其次為NW、ESE和WNW，頻率分別為17.08%、11.03%和7.46%。張家口市冬季的主導(dǎo)風(fēng)向是NNW，近20年的頻率約為50.97%，其次為NW、WNW和N，頻率分別為23.57%、7.55%和6.53%。

圖6是2005-2011年張家口市NNW、NW、ESE和SE風(fēng)向頻率的變化。由于NNW、NW、ESE和SE 4種風(fēng)向頻率共占張家口市全部風(fēng)向的76.61%，因此本文選取這四種風(fēng)向分析其隨時(shí)間的變化及風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)向的影響。

由圖6可以看出，張家口市的春、秋、冬三季的最大風(fēng)向NNW頻率在2005-2011間呈明顯的下降趨勢(shì)，下降率約為2.4%·a-1，與年平均風(fēng)速的減小呈較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。夏季的主導(dǎo)風(fēng)向ESE頻率在2005-2011年間同樣呈下降趨勢(shì)，但下降率較小，約為0.69%·a-1。NW和SE方向所占的頻率在這六年間略有上升。

2005-2011年，最大風(fēng)向NNW頻率的變化與本市風(fēng)電臺(tái)數(shù)的增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.81，通過(guò)了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大在一定程度上影響了本市風(fēng)向的變化，可能會(huì)引起最大風(fēng)向頻率的減小，而最大風(fēng)向頻率的減小是年平均風(fēng)速減小的原因之一。

由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，所以伴隨風(fēng)速的下降和風(fēng)向的改變，風(fēng)能下降將更明顯，這是在今后風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行投資時(shí)必須要考慮與防范的風(fēng)險(xiǎn)之一。

4 結(jié) 論

研究表明，風(fēng)電裝機(jī)容量與風(fēng)速?zèng)]有顯著的相關(guān)性，分析認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)可能會(huì)造成近些年張家口的風(fēng)速略有減小，但還存在很多不確定性因素，例如大氣環(huán)流的改變、全球溫度的變化、植樹造林等都可能引起張家口市風(fēng)速的變化。所以，“張家口的風(fēng)電場(chǎng)偷走了北京的風(fēng)，該為北京的霧霾負(fù)責(zé)”的說(shuō)法是不科學(xué)的。另外，分析得出風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大在一定程度上改變了張家口的風(fēng)向，具體原因需要在以后的工作中進(jìn)行更嚴(yán)謹(jǐn)全面的研究。

[1]趙宗慈,羅勇,江瀅,等.風(fēng)電場(chǎng)對(duì)氣候變化影響研究進(jìn)展[J].氣候變化研究進(jìn)展,2011，(07):400-406.

[2]任國(guó)玉,張愛(ài)英,王穎,等.我國(guó)高空風(fēng)速的氣候?qū)W特征[J].地理研究，2009，28(06)：1584-1592.

[3]江瀅,羅勇,趙宗慈,等.近50年中國(guó)風(fēng)速變化及原因分析[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì).中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)“氣候變化分會(huì)場(chǎng)論文集”[C].北京：中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志出版社，2007:80-89.

[責(zé)任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Correlation Analysis of Wind Farm Construction and Wind Velocity in Zhangjiakou City

HUO Li-fang1,ZHOU Yan-li2,LI Cai-juan1

(1.Hebei University of Civil Architecture and Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000,China;2.Zhangjiakou Bureau of Meteorology,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

The correlation between wind farm construction and wind velocity has been studied using combined meteorological data and installed capacity in Zhangjiakou in recent years.The results show that the installed capacity and the wind speed do not have significant correlation,but has a certain correlation between the wind direction.

installed capacity;wind speed;wind direction;correlation;rose map

2013年河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目：“風(fēng)能轉(zhuǎn)化對(duì)張家口地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速影響分析”(13274218)

霍麗芳(1979-)，女，副教授，河北建筑工程學(xué)院，碩士，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用數(shù)學(xué)。

P 412.16

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.06.015

來(lái)稿日期：2015-09-22