趙小偉，祁秀香，林中慶

（南沙區(qū)氣象局，廣東廣州　511457）

廣州南沙區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估

趙小偉，祁秀香，林中慶

（南沙區(qū)氣象局，廣東廣州511457）

通過分析位于南沙區(qū)萬頃沙十七涌的70 m風(fēng)塔的2008年數(shù)據(jù)，對(duì)南沙區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行了分析，結(jié)果標(biāo)明：2008年20 m高度上熱帶氣旋對(duì)有效風(fēng)功率密度的貢獻(xiàn)率為17.8%，有熱帶氣旋影響月份熱帶氣旋對(duì)風(fēng)功率密度平均貢獻(xiàn)率達(dá)到34.7%。10、20、40、60 m 4個(gè)高度的有效風(fēng)速時(shí)數(shù)介于3 278～5 862 h，根據(jù)風(fēng)能區(qū)劃等級(jí)中有效風(fēng)速時(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，四個(gè)高度的風(fēng)能資源介于可利用區(qū)到豐富區(qū)之間；根據(jù)風(fēng)能區(qū)劃等級(jí)中年有效風(fēng)功率密度標(biāo)準(zhǔn)，四個(gè)高度的年有效風(fēng)功率密度介于84.0～148.6 W/m2，風(fēng)能資源均屬可利用區(qū)，綜合有效風(fēng)速時(shí)數(shù)和年有效風(fēng)功率密度兩個(gè)要素可確定南沙區(qū)風(fēng)能資源屬可利用區(qū)，不具備大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)能資源條件，但具備一定利用價(jià)值。

應(yīng)用氣象；風(fēng)能資源；有效時(shí)數(shù)；風(fēng)功率密度；廣州南沙區(qū)

趙小偉，祁秀香，林中慶.廣州南沙區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估［J］.廣東氣象，2015，38（4）：59-62.

風(fēng)能資源評(píng)估是風(fēng)能資源開發(fā)中一項(xiàng)極其重要的基礎(chǔ)性工作，是確定風(fēng)電場(chǎng)選址和裝機(jī)容量及布置的依據(jù)。目前廣東已建成投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)主要分布在珠江口兩側(cè)和粵西、粵東沿海，風(fēng)能發(fā)電量全國(guó)排名第二，但相對(duì)于豐富的風(fēng)能資源來說，規(guī)模還較小，風(fēng)能開發(fā)還有很大發(fā)展空間。20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)對(duì)風(fēng)能的研究逐漸深入，朱兆瑞等［1］研究了我國(guó)風(fēng)能資源的儲(chǔ)量及分布；毛慧琴等［2］開展了廣東省風(fēng)能資源的宏觀區(qū)劃和風(fēng)電場(chǎng)選址區(qū)劃研究；錢光明等［3］對(duì)廣東省沿海風(fēng)能儲(chǔ)量及開發(fā)前景進(jìn)行了分析；秦鵬等［4］對(duì)東莞市的風(fēng)能資源進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)論是東莞市各區(qū)域均不具備大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力資源條件。這些研究揭示了我國(guó)及廣東地區(qū)的風(fēng)能分布特征及開發(fā)利用前景。

正常情況下風(fēng)能電機(jī)組的輪轂高度在50～65 m，葉片部分所能達(dá)到的最低高度約為25 m，常規(guī)氣象站和自動(dòng)站的風(fēng)觀測(cè)資料最高一般只有10 m，評(píng)估實(shí)際風(fēng)能資源需要通過計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)來推算10 m以上高度的風(fēng)速，而風(fēng)切變指數(shù)受到地形地貌的影響，難以做到精確計(jì)算，在一定程度上影響了風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。本研究利用70 m風(fēng)塔的觀測(cè)資料，根據(jù)《風(fēng)能資源技術(shù)評(píng)價(jià)規(guī)定》［5］，對(duì)南沙區(qū)的風(fēng)能資源狀況進(jìn)行評(píng)估，并分析了南沙區(qū)風(fēng)能資源的特點(diǎn)。

1　相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1數(shù)據(jù)處理

選用位于南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)十七涌（22.68° N，113.64°E）的70 m風(fēng)塔2008年所采集數(shù)據(jù)，包括10、20、40、60 m 4個(gè)高度的逐分鐘平均風(fēng)速，計(jì)算后得到逐時(shí)平均風(fēng)速。該風(fēng)塔位于南沙區(qū)南端，所處位置地勢(shì)平坦，風(fēng)塔附近G1017自動(dòng)氣象站2008年平均風(fēng)速為2.8 m/s，與南沙氣象探測(cè)基地2008—2012年年平均風(fēng)速的5年平均值持平，因此該風(fēng)塔2008年的數(shù)據(jù)在一定程度上能夠代表南沙區(qū)整體風(fēng)環(huán)境情況。此外，2008年十七涌風(fēng)塔有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到99.81%，超過中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/ T18710-2002）《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》規(guī)定的90%［6］，可以用于評(píng)估南沙區(qū)風(fēng)能資源情況。有效數(shù)據(jù)完整率按下式計(jì)算：

1.2數(shù)據(jù)訂正

缺測(cè)數(shù)據(jù)的處理辦法：某時(shí)次部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，利用風(fēng)速垂直切變指數(shù)和同時(shí)次其他高度的風(fēng)速計(jì)算缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)；某時(shí)次全部數(shù)據(jù)缺失，則該時(shí)段不納入計(jì)算。

不合理數(shù)據(jù)處理原則：若某時(shí)次出現(xiàn)部分風(fēng)速數(shù)據(jù)不合理的情況時(shí)，如超過相關(guān)性檢驗(yàn)和趨勢(shì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同樣用風(fēng)速垂直切變指數(shù)和同時(shí)次其他高度的風(fēng)速計(jì)算缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)［7］。

風(fēng)速垂直切變指數(shù)反映近地層風(fēng)速的垂直變化，指數(shù)大小反映了隨高度增加風(fēng)速增大的快慢，指數(shù)大表示隨高度增加風(fēng)速增大快，風(fēng)速梯度大；指數(shù)小表示隨高度增加風(fēng)速增大慢，風(fēng)速梯度?。?］。

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)。在中性大氣層結(jié)下，冪指數(shù)方程可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線［9-10］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》也推薦使用冪指數(shù)公式：

其中，v2為高度Z2處的風(fēng)速（m/s）；v1為高度Z1處的風(fēng)速（m/s）；α為風(fēng)速垂直切變指數(shù)。

在沒有具體數(shù)據(jù)的情況下，一般認(rèn)為風(fēng)速垂直切變指數(shù)等于1/7［11］?？紤]冬季邊界層對(duì)流不旺盛，地面風(fēng)速穩(wěn)定［12］，本研究使用2008年12月22日南沙區(qū)受強(qiáng)冷空氣影響過程中的1 h（15：00）平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)塔所處位置的風(fēng)速垂直切變指數(shù)，將求得的風(fēng)速垂直切變指數(shù)代入公式（1），可將具體替換公式簡(jiǎn)化為：v40m=1.147 8× v20m；v60m=1.249 3×v20m；v60m=1.088 4×v40m，用于處理缺測(cè)和不合理數(shù)據(jù)，其中v為各高度的風(fēng)速。

2　計(jì)算方法

評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源狀況，需要計(jì)算體現(xiàn)風(fēng)能資源狀況的風(fēng)能特征參數(shù)，風(fēng)能特征參數(shù)主要包括平均風(fēng)速、有效風(fēng)速時(shí)數(shù)、風(fēng)功率、平均風(fēng)功率密度、有效風(fēng)功率密度。

1）平均風(fēng)速。計(jì)算公式為

2）有效風(fēng)速時(shí)數(shù)。

風(fēng)電機(jī)啟動(dòng)需要克服摩擦等阻力影響，故不同風(fēng)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速不完全相同，一般情況下小型風(fēng)電機(jī)為3 m/s，大型風(fēng)電機(jī)為4～5 m/s。當(dāng)風(fēng)速過大則需要停機(jī)，保護(hù)風(fēng)電機(jī)免受損壞，該風(fēng)速稱為“切斷風(fēng)速”，切斷風(fēng)速因各種機(jī)型的結(jié)構(gòu)和性能而不同，一般為20～30 m/s。介于啟動(dòng)風(fēng)速和切斷風(fēng)速之間的風(fēng)速則稱為“有效風(fēng)速”，計(jì)算時(shí)段內(nèi)有效風(fēng)速的累計(jì)小時(shí)數(shù)即是有效風(fēng)速時(shí)數(shù)。本研究設(shè)定風(fēng)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速為3.5 m/s、切斷風(fēng)速為20.5 m/s，即有效風(fēng)速區(qū)間為3.5～20.5 m/s。

3）風(fēng)功率。在單位時(shí)間內(nèi)流過垂直于風(fēng)速截面積的風(fēng)能，即為風(fēng)功率：其中P為風(fēng)功率（W）；ρ為空氣密度（kg/m3）；v為風(fēng)速（m/s）；S為截面積（m2）。風(fēng)功率與風(fēng)速的立方成正比，正確選擇風(fēng)速是計(jì)算風(fēng)能的關(guān)鍵參數(shù)。

4）風(fēng)功率密度。風(fēng)功率密度是單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位截面積的風(fēng)功率（W/m2），是評(píng)價(jià)地區(qū)風(fēng)能潛力和大小的重要物理量。用公式（3）可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)各級(jí)風(fēng)速下的風(fēng)功率密度。再將計(jì)算時(shí)段內(nèi)各月各個(gè)等級(jí)風(fēng)功率之和除以總時(shí)數(shù)，即可得到計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均風(fēng)功率密度（W/m2）。

其中，vi為各等級(jí)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的加權(quán)平均風(fēng)速（m/s），其中v0到v21分別代表v≤0.5、0.520.5風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的加權(quán)平均風(fēng)速（m/s）；Ni為相應(yīng)等級(jí)風(fēng)速在計(jì)算時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的累計(jì)小時(shí)數(shù)（h）；N為計(jì)算時(shí)段內(nèi)總時(shí)數(shù)（h）；ρ為計(jì)算時(shí)段內(nèi)測(cè)站平均空氣密度（kg/m3），取決于計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均氣溫、平均氣壓、平均水汽壓，估算公式如下：

其中，ρ為空氣密度（kg/m）；t為平均氣溫（℃）；p為平均氣壓（hPa），e為平均水汽壓（hPa）。

有效風(fēng)功率密度：采用與年平均風(fēng)功率密度一致的方法計(jì)算，但選擇有效風(fēng)速區(qū)間即介于3.5～20.5 m/s之間的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

3　風(fēng)能資源分析

3.1平均風(fēng)速

十七涌風(fēng)塔各高度2008年平均風(fēng)速：10 m為3.16 m/s、20 m為3.89 m/s、40 m為4.27 m/ s、60 m為4.60 m/s。顯示風(fēng)速隨高度增加明顯加大，但增速隨高度增加遞減。

各高度逐月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)（圖1）較為一致，最大月平均風(fēng)速均出現(xiàn)在8月，最小月平均風(fēng)速除10 m以外均出現(xiàn)在3月，10 m高度則出現(xiàn)在12月。從各高度逐月平均風(fēng)速變化曲線的形狀看，全年總體上存在3個(gè)風(fēng)速波峰，分別是1、8、11月；2個(gè)波谷，分別是3和9月。

圖1　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年逐月平均風(fēng)速變化曲線

3.2風(fēng)速日變化

風(fēng)塔各高度2008年的小時(shí)平均風(fēng)速日變化曲線（圖2）顯示，各高度最小風(fēng)速均出現(xiàn)在04：00—05：00；最大風(fēng)速時(shí)段出現(xiàn)在16：00—19：00，且隨高度增大，最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間不斷延后，呈現(xiàn)從低層向高層傳遞的特征。總體上，凌晨04：00—05：00風(fēng)速最小，傍晚風(fēng)速最大，白天風(fēng)速大于夜間；早晨至傍晚風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，傍晚至次日早晨風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，風(fēng)速變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)在早晨前后。

圖2　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年小時(shí)平均風(fēng)速日變化

3.3風(fēng)速頻率

將風(fēng)速以1 m/s為間隔劃定風(fēng)速區(qū)間，統(tǒng)計(jì)年測(cè)風(fēng)序列中每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)的頻率。其中0代表風(fēng)速v≤0.5 m/s，其余各風(fēng)速區(qū)間的數(shù)字代表中間值，如4代表3.5

圖3顯示風(fēng)塔各高度風(fēng)速頻率都呈現(xiàn)相同的正偏態(tài)分布，曲線中部最高是峰值區(qū)，向兩側(cè)伸展曲線降低，右側(cè)向高風(fēng)速區(qū)延伸。頻率曲線的偏度和峰度與平均風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速小的地區(qū)，曲線陡峭，峰值靠近零值，表明風(fēng)速頻率集中在低值區(qū)，可利用風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間少；風(fēng)速大的地區(qū)，曲線較平緩，峰值向右推移，即曲線的峰度和偏度均減小，表明風(fēng)頻分散，較大風(fēng)速出現(xiàn)機(jī)會(huì)多，意味著可利用風(fēng)速時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)能利用條件好。10、20、40、60 m各高度風(fēng)速頻率曲線峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)速逐漸增大，但分布曲線陡峭程度不一樣，60 m高度風(fēng)速頻率曲線平緩、重心右移，對(duì)應(yīng)的較大風(fēng)速多；10 m高度的曲線則陡峭，波峰靠左，對(duì)應(yīng)風(fēng)速偏小，且分布集中，風(fēng)速波動(dòng)較小，40和20 m高度的曲線介于二者之間。

圖3　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年風(fēng)速-頻率曲線

3.4風(fēng)能資源參數(shù)

統(tǒng)計(jì)十七涌風(fēng)塔2008年各高度小時(shí)平均風(fēng)速介于3.5～20.5 m/s之間的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到風(fēng)塔各高度2008年逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)（表1）。

表1　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)h

表1顯示各高度有效風(fēng)速時(shí)數(shù)均存在3個(gè)峰值區(qū)，即1—2、6—8、11月，最大值均出現(xiàn)在1月。而圖4顯示各高度逐月有效風(fēng)功率密度變化曲線存在1、4、6、8、11月5個(gè)峰值區(qū)，與逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)總體上不完全一致。其中春秋季節(jié)的1、11月出現(xiàn)的峰值與逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)變化曲線一致，表明受冷空氣影響情況下，有效風(fēng)功率密度大小與有效風(fēng)速時(shí)數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系；夏季4、6、8月各高度有效風(fēng)功率密度均明顯大于相鄰月份，而有效風(fēng)速時(shí)數(shù)分布并無此特征。

圖4　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年逐月有效風(fēng)功率密度變化曲線

2008年共有6個(gè)熱帶氣旋登陸或影響南沙區(qū)，分別出現(xiàn)在4（1個(gè)）、6（1個(gè)）、8（2個(gè)）、9（1個(gè)）和10月（1個(gè)）。取風(fēng)塔20 m高度的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)入和不計(jì)入熱帶氣旋影響時(shí)段情況下各月及全年的有效風(fēng)功率密度（表2），得出2008年全年20 m高度上熱帶氣旋對(duì)有效風(fēng)功率密度的貢獻(xiàn)率為17.8%，有熱帶氣旋影響月份熱帶氣旋對(duì)風(fēng)功率密度平均貢獻(xiàn)率達(dá)到34.7%，其中9月份貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到58.4%。

表2　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔20 m高度2008年熱帶氣旋影響月份風(fēng)功率密度W/m2

不計(jì)入熱帶氣旋影響時(shí)段的情況下，逐月有效風(fēng)功率密度與逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)具有一致的變化趨勢(shì)（圖5）。因此，可以發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋對(duì)有效風(fēng)功率密度的大小具有明顯影響，但對(duì)有效風(fēng)速時(shí)數(shù)影響較小。

圖5　南沙區(qū)十七涌風(fēng)塔各高度2008年逐月有效風(fēng)速時(shí)數(shù)和不同條件下有效風(fēng)功率密度對(duì)比曲線

通過計(jì)算2008年十七涌風(fēng)塔各高度年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)、年平均和年有效風(fēng)功率密度（表略），可以看出，風(fēng)塔各高度年風(fēng)速有效時(shí)數(shù)均在2 000 h以上，其中60 m高度有效時(shí)數(shù)超過5 000 h。

風(fēng)功率密度及風(fēng)速有效時(shí)數(shù)是衡量地區(qū)風(fēng)能資源多寡的重要指標(biāo)，根據(jù)《風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》［5］（表3），南沙區(qū)屬風(fēng)能可利用區(qū)。

表3　10 m風(fēng)塔風(fēng)能區(qū)劃等級(jí)

4　結(jié)論

1）熱帶氣旋對(duì)有效風(fēng)功率密度的大小具有明顯影響，但對(duì)有效風(fēng)速時(shí)數(shù)影響較小，即由于熱帶氣旋影響時(shí)段平均風(fēng)速較大，故在熱帶氣旋影響月份的有效風(fēng)功率中熱帶氣旋權(quán)重較大，從而明顯影響有效風(fēng)功率密度，但由于熱帶氣旋影響時(shí)間短，故對(duì)有效風(fēng)速時(shí)間影響較小。

2）南沙區(qū)風(fēng)能資源屬可利用區(qū)，不具備大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)能資源條件，但在當(dāng)前能源供應(yīng)日益緊張的背景下，南沙區(qū)風(fēng)能資源仍具備一定利用價(jià)值，可使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)路燈、景觀、廣告牌等進(jìn)行供電，也是城市開展節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的一種有效措施。

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［11］宮靖遠(yuǎn)，賀德馨，孫如林，等.風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［12］莊衛(wèi)方，唐民，王新平.低空風(fēng)切變的探測(cè)與預(yù)報(bào)思路［C］//首屆長(zhǎng)三角科技論壇氣象科技發(fā)展論壇論文集，杭州，2004.

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10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.015

2015-11-10

趙小偉（1983年生），男，工程師，學(xué)士，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail：513206886@qq.com