风能资源及测风数据整理技巧

广东电力

GUANGDONG ELECTRIC POWER

2003年 第1卷 第5期

风能资源及测风数据整理技巧

林志远

（广东省风力发电有限公司，广东广州510600）

摘要：风电场区域范围内的风能资源蕴藏状况，是开发风力发电项目最基础的组成因素，能否充分地掌握其完整而可靠的资料，将是工程顺利的保证，项目成功和避免投资风险的关键所在。然而，预选风电场的风能资料，必须经历布点测风、数据（包含场外相关资料）收集、分析整理和汇总过程。如果某个环节出现缺陷和差错，资料的可靠性即将降低，项目的风险就大大增高，这是人们不愿意看到的结果，为此，从定义、要求、不利因素及技巧方面进行讨论，期望从根本上提高风力发电项目的可靠性和项目效益。

关键词：风能；数据；风速；风向；频率；密度；指数；技巧

1风力发电

1．1 风力发电的概念和特点

所谓风力发电，就是把风能转化成电能。在目前技术情况下，风能既不可以储存又不能控制。风力发电过程完全跟随天然的自然来风，它远远超过水力发电对河流水文状况的依赖关系。

风力发电，不仅要考虑逐年逐月逐日的来风大小，还要考虑来风的方向及该方位的风能概率分布。风机的行和列的布置，要尽可能使得各台风机能够接受到最大、最多的风能，这是风力发电又一个特点。所以，风电场微观选址之前就必须掌握风能资源的详细资料。

1．2科学、合理选择和设计风场

风力发电工程投产后的发电量，将取决于自然来风和合理设计。风能资源丰富而布局合理的风电场，理所当然多发电。反之，如果资源情况不清或者掌握有差错，必然降低工程效益。通常，一个预选风电场的开发，在工程之初就着手收集和掌握充分可靠的风能资源情况，保证项目有充分的科学依据，使项目达到预想的结果，但是，由于各种原因要做到这一点并非易事，原因一方面是工程的前期筹划不够周详，完整可靠地收集资料的工作没有得到落实；另一方面是在分析整理和鉴别所收集资料过程中，也可能出现不够合理甚至有严重偏差的结论，产生的结果是基础资料不够真实和可靠，给项 总之，风能资源决定发电量，发电量决定项目效益，效益决定项目的风险和成败，要防患未然，需从根本做起。

2定义

这里所指的定义是描述风能资源状况的主要参数及内容。

2．1风速

指月平均风速、年平均风速、最大风速（10min平均风速）、极大风速（瞬间最大风速）等等。

2．2风频

又称风速频率分布，它是按相差1 m／s的间隔观察1年（1月或1天）内吹风总时数的百分比来计算的。风速频率分布一般以图形表示，见图1。

图中表示出两种不同的风速频率曲线，曲线1变化陡峭，最大频率出现于低风速范围内，曲线2变化平缓，最大频率向风速较高的范围偏移，表明较高风速出现的频率增大。从风能利用的观点看，曲线2所代表的风况比曲线1所表明的要好。利用风速频率分布可以计算某一地区单位面积（1 m2）上全年的风能。

2．3风切变指数

通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。由于地面摩擦，风速沿垂直高度变化而变化，其变化指数用a表示，一般情况下，可用此值估算出各种高度下的风速，但是，环境不同a也不同，可参见图2。

2.4 风能

a）风能密度

垂直穿过单位截面的流动的空气所具有的动能（单位：W／m2），如式（1）。

式中：ρ———空气密度（kg／m3）；

v———风速（m／s）。

b）平均风能密度

由于风速是变化的，风能密度的大小也是随时间变化的，一定时间周期（例如一年）内风能密度的平均值称为平均风能密度，如式（2）。

c）有效风能密度

在实际的风能利用中，风力机械只是在一定的风速范围内运转，对于一定风速范围内的风能密度视为有效风能密度。中国有效风能密度所对应的风速范围是3～20 m／s，计算公式仍利用式（1）或式（2）。

2.5风向

按地球东西南北方向，再细分成十六（22．5°）方位，统计各方位来风的频率，以玫瑰图表示。风向玫瑰图，表示各方位出现风的频率，见图3；

风能玫瑰图，表示各方位出现的风能频率，见图4。

2．6计算测风有效数据完整率F

有效数据完整率（F）按下式计算：

3基本要求

为了正确评估风电项目，在项目可行性阶段，就必须搞清楚预选风电场场址范围内的区域风能资源蕴藏状况、基本特征及基本成因。为此，有必要完成一些项目的前期工作。

3．1广泛收集与风电场范围风能资源有关资料

收集风电场附近气象台海洋站等长期测站的测风数据，如风速、风向、温度、气压及湿度等，具体有：

a）30年的逐年逐月平均风速；

b）代表年的逐小时风速风向数据；

c）与风电场测站同期的逐小时风速风向数据；

d）累年平均气温气压数据；

e）最大风速、极端风速、极端气温及雷电等数据。

3．2广泛收集风电场场址内的连续观察数据

广泛收集风电场场址内1～3年的连续观测数据。观测高度宜与风力发电机组轮毂预期安装高度相同；同时要记录10 m的观测数据，观测数据完整率不宜少于90％。

3．3有关资料的分析

应对风电场场址的风能资料和气象台资料相比较并进行相关分析，整理出风速频率曲线、风向玫瑰图、风能玫瑰图、年日风速变化曲线、风能密度和有效风速小时等主要参数。

4潜在误差

资料形成的过程中，每一个环节都可能产生误差，结果都影响到风能资源资料的可靠性和准确性。

4．1测风选点方案

要收集预选风电场的数据，首先是选点立塔，立塔地点是否具有足够代表性？塔的数量是否含盖整个风电场？测风高度是否达到预期安装风机轮毂高度等等。

4．2测风仪器及安装质量

尤其是测风仪的方向标是否正确，基准方向如果有偏差，风机的布置就不能对准风能资源的主方向，发电效益大受影响。

4．3数据收集

收集不及时，发生问题未能及时改正；收集不及时，造成数据完整率低。上述种种都给资料整理带来困难和真实降低。

4．4整理误差

数据之间不一致，甚至矛盾也在所难免。所以，资料必须认真整理，分析比较，鉴别真假。最可怕的事情是误差积累，所以，为了资料符合实际，达到应有

的精度，反映风电场的真实情况，提供给工程人员使用，提供给投资者对项目正确判断，就必须在每一个环节尽量减少误差。

5 测风数据的整理技巧

5．1测风过程中要对数据进行整理和统计

一台简单的测风仪，可以记录每个10 min风速平均值及其风向，一个月就有4 320组数据。预选风电场测风周期最短为一年，一台测风仪记录下52 560组数据。一个有规模的预选风电场，要设立数基测风塔，每基塔又设数层测风仪。所以，测风数据的整理是一项有规模的数据库的分析整理工作。此外，风的能量是根据相应风速风向进行演算的，要在整理过程进行统计。

5．2应采用不同的软件和不同的参照资料对测风数据进行复核

鉴于目前还没有成熟而通用的整理软件可供使用，国内外测风仪生产厂家提供测风仪的同时提供简单的整理程序。但是，往往由于其功能、非通用和难复核而受到限制。如今，风电的从业者认为，预选风电场的风资源的可靠性事关重大，做出测风的结论一定要谨慎从事，最好要用不同方法进行复核。所以，除了测风仪厂家的程序外，另找程序或者从业者自编程序都有必要。采取不同软件和不同参照资料进行复核，才能避免资料的重大失误。

5．3应依据国家标准规范对测风数据进行整理和统计

测风数据虽然庞大，但数据整理工作基本上还是属于统计范畴的事情。只要从业者根据国家规范对风能资源内容的要求，了解测风数据的采集过程，又掌握一定的计算机知识，在个人电脑上进行数据整理是不存在问题的。这样，就可以实现不同软件和多参照资料复核，使风资源的评估更接近实际，达到降低工程风险的目的。

5．4自编数据整理案例分析

使用的工具是个人电脑；程序为借助计算机的Excel功能，自编计算模块。具体操作如下：

a）将测风“记事本”数据转换为“Excel”数据。

b）利用Excel表的换位、计算、筛选、求和等统计功能，按规程规范所规定的要求，统计出风能资源参数的结果。

c）根据参数结果绘制风频、风向玫瑰图、风能玫瑰图及其他等计算成果。

d）资料订正。资料提供使用之前，参照相关条件或资料进行订正非常必要。所谓相关，比如当地气象台的长期和同期测风资料、相似地形、附近范围别的实测记录等，尤其是参照已经投产风电场的运行实际。

6 结论及对策

a）开发风力发电，风能资源是基础的基础。投产的风电项目所得到的经验和教训，充分说明了这一点。所以，设法使预选风电场建立在可靠资源的基础上，应该引起各方面的重视。

b）为保证项目达到预期目的，此项基础工作必须在项目开发的前期工作中筹划和落实。

c）资料的最终形成，不仅要做大量采集归纳的具体工作，还要做综合分析、去伪存真等订正工作。因此，手段上应该是多种；参加人员的知识和经验更为宝贵。

d）资料提供使用之前，应该先进行审定。

参考文献：

［1］陈云程，陈孝耀，朱成明，等．风力机设计与应用［M］．上海：上海科学技术出版社，1990．

［2］王承煦．风力发电实用技术［M］．北京：清华大学出版社，1999． ［3］DL／T5067—1996，风力发电场项目可行性研究报告编制规程［S］． ［4］GB／T18710—2002，风电场风能资源评估方法［S］．