风资源评估综述

第２９卷第５期　２００７年５月　水利电力机械　

ＷＡＴＥＲ　Ｃ０ＮＳＥＲＶＡＮＣＹ＆ＥＩ正ＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．５　Ｍａｙ．２００７　

专题ｆｄ＂坛·　风资源评估综述　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｕｔｌｉｎｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　张洋　，刘雪枫　，李强　ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｘｕｅ—ｆｅｎｇ　，ＬＩ　Ｑｉａｎｇ２　

（１．华北水利水电学院，河南郑州４５００１１；２．河南电力试验研究院，河南郑州４５００５２）　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００１１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｅｎａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００５２，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：针对风力发电场可行性研究阶段风资源评估的有关工作内容进行了综合阐述。风力发电是我国重　要的后续能源之一，大力发展风电对我国能源供应和环境保护极为重要。风资源的测量和评估水平直接影　响风电场选址和发电量预测，进而影响风电场的投资决策。　关键词：风力发电；风资源；威布尔分布；年发电量　中图分类号：ＴＫＳ１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—６４４６（２００７）０５—００７２—０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｍ—　ｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎ　ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌｉｔｙ￣ｌｅｃｆｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ。ｔｈｅｒｅｂｙ　ａｆｅｃｔ山ｅ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅ—　ｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｓｔａｇｅ　ｏｆｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ；Ｗｅｉｂｕｌｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ａｎｎｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　

０引言　随着化石能源的日益稀缺，全球环境的恶化，开　发可再生清洁能源成为各国的能源目标。风力发电　技术较成熟且可靠性高，它是发展最快的新型能源。　在风电场建设的可行性研究阶段需要对拟建风电场　进行风资源评估。评估的目的主要是为确定风电场　的装机容量和风力发电机组选型及布置等提供依　据，便于对整个项目进行经济技术评价。风资源测　量和评估水平直接影响风电场选址以及发电量预　测，最终反映为风电场建成后的实际发电量。　１风资源评估需要的基础资料　调查结果表明…１，我国大部分风电场的年平均　容量系数仅为０．２１　０．２４，有些风电场的单机年平　均容量系数仅为０．１６　０．１８。影响发电量的主要因　素是场址上的风资源较差。据调查，目前许多风电　场建成投产后实际的年平均发电量比预测值要低　２０％　３０％，还有极少数风电场甚至低达４０％。导　致该结果的一个重要原因就是风资源的测量和评估　存在问题。　风电场的风资源分析评估，一般除收集当地气　象站近期３０年的常规气象资料外，还应收集整理风　电场场址处至少连续１年１０　ｍ高处的风速、风向整　编资料，且收集的有效数据不宜少于收集期的　９０％¨２ｊ故一般拟建风电场场址处都应设立观测站　

进行ｌ　３年的连续风速、风向观测。　观测项目主要为逐时的１０ｍｉｎ平均风速、风向　资料，一般采用自记方式。必要时可进行温度、湿　度、大气压等项目的观测，以便和当地的气象站资料　进行对比分析。风观测高度应选在离地１０　ｍ高处，　还应包括风力发电机机头预期安装的高度，一般分　２　３层，高度一般在１０ｍ，３０ｍ，４０ｍ。测量数据精度　应在所用仪器的规定误差范围内。　

收稿日期－２００６—０２—２６　作者简介：张洋（１９７８一），女，黑龙江友谊人，华北水利水电学院助教，工学硕士，从事电力系统分析和风力发电方面的教学和研究工作。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第５期　张洋，等：风资源评估综述　·７３·　２对观测数据的分析计算　风资源评估一般需对观测资料进行以下几个项　目的分析计算。　２．１风的日、月变化规律　般应挑出一个典型日和一个典型月，典型日　逐时的风速变化能反映风的一般日变化规律，典型　月逐日的风速变化能反映风的一般月变化规律。并　绘制典型日的逐时及典型月的逐日变化柱状图。　２．２年风速风向频率统计　此项目的统计可按常规方法，根据统计结果绘　制全年风向玫瑰图及风速玫瑰图。　２．３年有效小时数　风机有切入和切出速度，切入速度一般为３　ｍ／ｓ　或５　ｍ／ｓ，切出速度一般取２５　ｍ／ｓ或２７　ｍ／ｓ，从切入　到切出之间的风速称为有效风速。有效风速的范围　般因风机的产地及功率而有所不同。统计出每年　累计风速值在有效风速范围内的小时数，然后将历　年值平均，即得年有效小时数。　２．４各等级风速频率　将风速值按１　ｍ／ｓ间隔划分为若干等级，统计　各等级风速出现的次数，各等级次数除以各等级风　速出现的总次数即为此等级风速频率。根据统计结　果绘制各等级风速频率图。　２．５风能的计算［３］　

２．５．１风能公式　风能的利用主要将它的动能转化为其他形式的　能，因此，计算风能的大小也就是计算气流所具有的　动能。按有效风速计算的风能密度称为有效风能密　度。在单位时间内以风速　穿过面积为ｓ的风轮的　总功率，即风能的功率为　

ｓ（１）　

式中：　——风能的功率，ｗ；　ｐ——空气的密度，ｋｇ／ｍ３；　ｓ——风机叶片旋转一周的扫掠面积，ｍ２；　风速，ｍ／ｓ。　由式（１）可以看出，风能大小与所流通过的面　积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风　能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否　对风能的估计有决定性作用。　为了衡量一个地方风能的大小，评价一个地区　的风能潜力，风能密度是最方便和有价值的量。风　能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的　

风能。将式（１）除以相应的面积ｓ，当Ｓ＝１，便得到　了风功率密度公式，也称风能密度公式，即　

１　ｐｖ　（Ｗ／ｍ２）。　（２）　

由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一　定长度的观测来了解它的平均状况。因此，在一段　时间长度内的平均风能密度，可以将上式对时间积　分后平均。当知道了在ｔ时间长度内风速　的概率　分布Ｐ（　）后，平均风能密度就可计算出来。　从风能公式（１）中可以看出，ｐ的大小直接关系　到风能的多少，特别是在海拔高的地区，影响更突　出。所以，计算一个地点的风能密度，需要掌握的量　是所计算时间区间下的空气密度和风速。另一方　面，由于地形复杂，空气密度的影响也必须要加以考　虑。空气密度是气压、气温和温度的函数，其计算公　式为　１．２７６　（Ｐ一０．３７８ｐｗ）　ｌ０　１＋０００３　６６ｔ　１　０００　’　，　

式中：Ｐ——气压，ｈＰａ；　ｔ——气．温，℃；　ｐⅥ一水汽压，ｈＰａ。　２．５．２风能功率密度的计算　风速一般均为偏正态分布，一般来说，风力愈大　的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移。这说明风　力大的地区，一般大风速所占比例也多。通常用于　拟合风速分布的线型很多，而威布尔分布双参数曲　线被普遍认为适用于风速作统计描述的概率密度函　数。　威布尔分布是一种单峰、２参数的分布函数簇。　其概率密度可表达为　Ｐ（　）＝詈（詈）ｋ－１ｅｘｐ［一（詈）　］。　（４）　

式中，ｋ和Ｃ为威布尔分布的２个参数，ｋ称作　形状参数，Ｃ称作尺度参数。　当Ｃ＝１时，称为标准威布尔分布。形状参数ｋ　的改变对分布曲线型式有很大影响。当０＜ｋ＜１　时，分布的众数为０，分布密度为　的减函数；当ｋ＝　１时，分布呈指数型；ｋ＝２时，便成为瑞利分布；ｋ＝　３．５时，威布尔分布实际已很接近于正态分布。经　国内外广泛研究结果表明，威布尔分布是一种形式　简单且又能较好地按拟合实际风速分布的概率模　型，被公认为风能分析的有用工具。　２．５．２．１平均风能功率密度计算　根据风能式（１）可知，　为ｐ和　２个随机变量　

维普资讯 http://www.cqvip.com ７４·　水利电力机械　２００７年５月　的函数，因此，　的数学期望值为　（　）＝　吉Ｅ（ＩＤ）Ｅ（／３３）。ｘＣＮ－￣点而言，Ｐ的变化可忽略　不记，因此，　的变化主要是　随机变化所决定，这　样，　的概率密度只决定风速的概率分布特征，即　

Ｅ（ＩＶ）＝　１　（　）。　（５）　风速立方的数学期望　Ｅ（　）：ｌ　』Ｄ（　）ｄ　：　Ｊ　０　。　

ｆｏ詈（詈）ｋ－ｌｅｘｐ［一（　：　

Ｉｆ０　ｖ３ｅｘｐ［一（詈　（詈）　唧［　令ｙ：（詈）　，即詈：ｙｌ／ｋ￣（　

１３＼Ｊ　）　］ｄ（詈）　。　＝ｙ　，所以，　（１）３）＝Ｉ　ｃ　Ｙ　ｅｘｐ［一，，】ｄｙ＝　ｒ∞　ｃ　Ｉ　），　ｅｘｐ［一），】ｄｙ＝　

ｃ　ｒ（３／ｋ＋１）。　可见，风速立方的分布仍然是一个威布尔分布，　只不过它的形状参数变为３／ｋ，尺度参数为ｃ　。因　此，只要确定了风速的威布尔分布的２个参数ｃ和　ｋ，风速的立方的平均值便可以确定，平均风能密度　便可以求得，即　１　３ｒ（　＋－）。　

２．５．２．２．有效风能功率密度计算　

．ｒ？　（｛　）　一　ｅｘｐ［一（｛　）　】ｄ　。　（８）　２．５．２．３风能可利用时间　在风速概率分布确定以后，还可以计算风能的　可利用时间。有效风能范围内的风能可利用时间可　以由下式求得，即　

Ⅳ　㈩　

Ⅳ』　ｖ　（詈）　一　ｅｘｐ［一（詈）　］ｄ　：　Ⅳ｛ｅｘｒ　ｐ

Ｃ

［一（　）　］一ｅｘｐ［一（　）　］），（９）　

式中Ⅳ为统计时段的总时间。　综上所述，可以看出，只要给定了威布尔分布参　数ｃ和ｋ，平均风能密度、有效风能密度、风能可利　用小时数都可以方便地求得。知道了分布参数ｃ，　ｋ，风速的分布形式便给定了，而不需要逐一查阅和　重新统计所有的风速观测资料。它无疑给实际使用　带来许多方便。研究结果表明，威布尔分布不仅可　用于拟合地面风速分布，而且也可用于拟合高层风　速分布。其参数在近地层中随高度的变化很有规　律。当知道了一个高度风速的威布尔分布参数，便　不难根据这种规律求出近地层中任意高度风速的威　布尔分布参数。由于这些特点，使得用威布尔分布　拟合风速频率分布较之用其他分布拟合更为方便。