風(fēng)能資源分析和評估[共72頁]

1、1,風(fēng)能資源分析和評估,中國電力科學(xué)研究院 陳默子 2006.1.9,2,主要內(nèi)容,1. 風(fēng)能資源 1.1 風(fēng)的形成 1.2 風(fēng)的測量 1.3 風(fēng)能資源評估的參考判據(jù) 1.4 風(fēng)的特性 2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響 2.1 概述 2.2 粗糙度 2.3 障礙物 2.4 地形信息,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法 3.1 基本方法 3.2 WindPro對象介紹 3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 3.4 風(fēng)資源分布圖 3.5 尾流計算 3.6 發(fā)電量計算 3.7 風(fēng)電場項目發(fā)電損失和誤差,3,大氣環(huán)流： 風(fēng)是由太陽的熱輻射和地球自轉(zhuǎn)的作用，在大范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣流流動。 季風(fēng)環(huán)流： 由于海陸差異、行星風(fēng)帶的

2、季節(jié)轉(zhuǎn)化及地形特征引起的，盛行風(fēng)向（氣壓系統(tǒng)）有明顯的季節(jié)變化。 局地環(huán)流： 由于地球上局地因子的影響，區(qū)域性的氣流也可以改變?nèi)驓饬鞯臓顩r，從而產(chǎn)生局地性的氣流流動。,1. 風(fēng)能資源,1.1 風(fēng)的形成,4,大氣環(huán)流： 氣壓梯度力 地球繞太陽轉(zhuǎn)，地球表面受熱不均，增熱程度隨緯度增高而降低，溫差引起大氣層空氣壓力不均衡。北半球空氣向北流動。 地球自轉(zhuǎn)偏向力 北半球，氣流向右（向東）偏轉(zhuǎn)； 地球偏向力在赤道為零，隨著緯度的增高而增大，在極地達到最大。,1. 風(fēng)能資源,1.1 風(fēng)的形成,5,1. 風(fēng)能資源,大氣環(huán)流： 大氣環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下,形成三圈環(huán)流 環(huán)流圈伸曲高度：赤道最高，中緯度次

3、之，極地最低 赤道緯度30N環(huán)流圈 緯度3060N環(huán)流圈 緯度6090N環(huán)流圈,1.1 風(fēng)的形成,6,季風(fēng)環(huán)流 海陸分布的作用：海洋熱容量遠(yuǎn)大于陸地 冬季：陸地比海洋冷，大陸氣壓高于海洋； 氣壓梯度力：大陸-海洋，西北風(fēng)； 夏季：陸地比海洋熱，陸地氣壓低于海洋； 氣壓梯度力：海洋-大陸。 地球上5個風(fēng)帶，南北半球?qū)ΨQ，北半球3個風(fēng)帶； 夏季均向北移動 、冬季則向南移動； 冬季西風(fēng)帶的南緣地帶在夏季可以變成東風(fēng)帶。 地形特征引起 典型：青藏高原，冬夏溫度相對周圍地區(qū)變化大。,1. 風(fēng)能資源,1.1 風(fēng)的形成,7,局地環(huán)流 海陸風(fēng)： 由大陸與海洋溫差轉(zhuǎn)變引起 海岸附近以一日為周期的海陸風(fēng)，形成原因

4、與季風(fēng)相同，但以日為周期，范圍小，勢力弱。 山谷風(fēng)： 山地附近山坡與周圍空氣受熱不同形成 白天，山坡接受太陽光熱多，被加熱的暖空氣不斷上升，而谷底上空相對較冷的空氣則下沉補充，形成山谷風(fēng)環(huán)流。晚間山坡降溫快，于是又形成了相反的環(huán)流。,1. 風(fēng)能資源,1.1 風(fēng)的形成,8,1. 風(fēng)能資源,測量位置 測量位置的代表性 所選測量位置的風(fēng)況應(yīng)基本代表該風(fēng)場的風(fēng)況； 測量位置附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等： 與單個 障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍； 與成排 障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的10倍以上； 測量位置應(yīng)在風(fēng)場主風(fēng)向的上風(fēng)向； 測量位置數(shù)量，依地形復(fù)雜程度而定。,1.2 風(fēng)的測量,9,1. 風(fēng)能資源,

5、測量參數(shù) 風(fēng)速測量 10min平均風(fēng)速，用于風(fēng)能資源計算； 小時平均風(fēng)速，通過10min平均風(fēng)速獲得； 極大風(fēng)速, 3秒采樣一次的最大值，用于安全計算 風(fēng)向測量 與風(fēng)速同步采集 16個扇區(qū) 氣溫 每小時采樣一次并紀(jì)錄 大氣壓 每小時采樣一次并紀(jì)錄,1.2 風(fēng)的測量,10,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)玫瑰圖 表示各種風(fēng)向出現(xiàn)的頻率,1.2 風(fēng)的測量,11,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)玫瑰圖,1.2 風(fēng)的測量,12,1. 風(fēng)能資源,測量儀器 測風(fēng)儀： 風(fēng)速傳感器 風(fēng)向傳感器 數(shù)據(jù)采集器（保存不低于3個月，低溫） 大氣溫度計 大氣壓力計 測量儀器應(yīng)經(jīng)過校準(zhǔn),1.2 風(fēng)的測量,13,1. 風(fēng)能資源,測量設(shè)備的安裝 測風(fēng)塔

6、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，應(yīng)能承受30年一遇最大風(fēng)力沖擊 表面應(yīng)防鹽霧腐蝕,1.2 風(fēng)的測量,14,1. 風(fēng)能資源,IEC61400-12 安裝要求,1.2 風(fēng)的測量,15,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)功率密度，蘊含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響，是風(fēng)場的綜合指標(biāo) 風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向分布 風(fēng)速的日變化和年變化 湍流強度 0.10較小, 0.100.25中等, 0.25過大。 極大風(fēng)速（每3s采樣一次的最大的風(fēng)速值） 低氣溫（氣溫低于-30） 其他，雷電、電線結(jié)冰、沙暴、鹽霧,1.3 風(fēng)能資源評估的參考判據(jù),16,1. 風(fēng)能資源,平均風(fēng)功率密度和有效風(fēng)功率密度 平均風(fēng)功率密度：設(shè)定時段內(nèi)的逐小時風(fēng)功率密度的平均值,

7、1.3 風(fēng)能資源評估的參考判據(jù),第i次記錄的風(fēng)速(m/s),空氣密度(kg/m3),有效風(fēng)功率密度：風(fēng)速只計切入風(fēng)速到切除風(fēng)速之間的,17,風(fēng)功率密度等級表,注：1.不同高度的年平均風(fēng)速參考值是按風(fēng)切變指數(shù)為 1/7推算； 2.與風(fēng)功率密度上限值對應(yīng)的年平均風(fēng)速參考值，按海平面大氣壓及風(fēng)速頻率符合 瑞利分布推算。,18,1. 風(fēng)能資源,湍流強度（風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差）計算,1.3 風(fēng)能資源評估的參考判據(jù),10min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差 10min的平均風(fēng)速 m/s 10min內(nèi)每一秒的采樣值,19,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)速的垂直梯度：風(fēng)速隨高度變化 風(fēng)廓線 （wind profile） 風(fēng)速的頻率分布,1.4 風(fēng)

8、的特性,20,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)速隨高度變化 造成風(fēng)速的垂直變化的原因 動力因素地面的摩擦效應(yīng)，地面的粗糙度； 熱力因素近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系； 當(dāng)大氣層結(jié)為中性時，其主要作用的是動力因素. 經(jīng)驗公式：,1.4 風(fēng)的特性,為高度h上的風(fēng)速 卡曼系數(shù)，0.4左右 摩擦速度 地面剪切應(yīng)力 粗糙度參數(shù),21,1. 風(fēng)能資源,兩個高度風(fēng)速的關(guān)系：,1.4 風(fēng)的特性,地表粗糙度指數(shù)，通過在不同高度上測風(fēng)求得 , 當(dāng)?shù)孛娲植诙任粗獣r ,可指數(shù)公式確定：,值變化從1/151/4，最常用的是1/7，即 =0.142,22,1. 風(fēng)能資源,不同地形的粗糙度長度和粗糙度指數(shù),1.4 風(fēng)的特性,23,1. 風(fēng)能

9、資源,風(fēng)速隨高度變化系數(shù),1.4 風(fēng)的特性,24,1. 風(fēng)能資源,風(fēng)頻率分布 通常用風(fēng)速的頻率分布函數(shù)f(v)來表示， 模型通常使用最多的是韋布爾分布,1.4 風(fēng)的特性,A 為尺度參數(shù) K 為形狀參數(shù) K=2時，稱為瑞利分布,25,1. 風(fēng)能資源,1.4 風(fēng)的特性,26,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,平坦地形應(yīng)符合下列條件(Frost 和 Nowak) : 在風(fēng)電場四周11.5km直徑范圍內(nèi)任一點，風(fēng)電場與周圍地形的高差不大于60m 在風(fēng)電場上風(fēng)向4km和下風(fēng)向0.8km內(nèi)的山丘，其高寬比不大于1/50 在上風(fēng)向4km范圍內(nèi)，風(fēng)機葉片下端離地的高度大于3倍最大高差h,2.1 概述,27,2.

10、復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.1 概述,平坦地形應(yīng)符合的條件,28,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,不規(guī)則地形會改變風(fēng)的流態(tài) 風(fēng)剪切 風(fēng)速隨高度增加而增加，是表面粗糙度的函數(shù) 湍流 葉片的尾流效應(yīng) 大氣邊界層厚度(離地面近1000m的高度)，認(rèn)為氣流是自由的、不受干擾,2.1 概述,29,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,應(yīng)擁有的信息 測風(fēng)數(shù)據(jù) 地形信息（等高線） 粗糙度信息 障礙物信息 風(fēng)電機組功率曲線 地形的表示 用1:25000 或1:50000的數(shù)字地圖 分12個扇區(qū)包含上述信息,2.1 概述,30,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,粗糙度等級的概念 粗糙度描述一個區(qū)域的地表特征，用粗糙度等級或粗

11、糙度長度來表示 用粗糙度線(roughness line )包圍一個區(qū)域 粗糙度線不能交叉。 一般風(fēng)場需在約1020km的半徑范圍內(nèi)定義粗糙度，取決于輪轂高度和地形條件。,2.2 粗糙度(roughness),31,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,3km處粗糙度對風(fēng)機出力的影響,2.2 粗糙度(roughness),32,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.2 粗糙度 粗糙度和地表特征的對應(yīng)關(guān)系,33,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.2 粗糙度 防風(fēng)林帶高度對粗糙度等級的影響,34,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.2 粗糙度 粗糙度長度和粗糙度等級的關(guān)系,35,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2

12、.3 障礙物 風(fēng)速遇障礙物損失的百分?jǐn)?shù),36,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.3 障礙物(Block),靠近實體障礙物的氣流形成湍流的范圍,37,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.3 障礙物,靠近防風(fēng)林帶的氣流形成的湍流，與通透度有關(guān),38,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,防風(fēng)林帶形態(tài)與通透度的關(guān)系,2.3 障礙物,障礙物表示 WAsP把每一個障礙物看作一個長方體，定義在地圖上的位置、尺寸及通透率,39,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.3 障礙物,障礙物與粗糙度區(qū)分,以下情況作為粗糙度來考慮，否則作為障礙物處理：設(shè)障礙物高度為h， 如果（風(fēng)機輪轂高度葉片半徑） 3h,且 風(fēng)機距障礙物的距離

13、50h 或 風(fēng)機輪轂高度 h,且 風(fēng)機距障礙物的距離 1000m,40,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,用等高線（height contour line) 需定義約510km半徑范圍 由于氣流通過山地時被壓縮，風(fēng)速增加,2.4 地形信息 （orography）,41,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,氣流通過山地，位于小山丘上的WTG出力的增加與山丘頂部圓的半徑的關(guān)系,2.4 地形信息,2.4 地形信息 （orography）,42,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,2.4 地形信息,2.4 地形信息 （orography）,WAsP極坐標(biāo)計算，原點處計算精度高；,43,2. 復(fù)雜地形對風(fēng)特性的影響,R

14、IX Ruggedness Index Riso 的概念， 陡度系數(shù)20%以內(nèi)WAsP有效,2.4 地形信息,2.4 地形信息 （orography）,44,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.1 基本方法,估計/計算風(fēng)電場出力基本上有2種不同的方法 基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)測量（12 個扇區(qū)）的氣象數(shù)據(jù)和Weibull分布。 借助于計算機模型，如風(fēng)圖譜（Wind Atlas）或計算機輔助設(shè)計工具，指下圖Lib文件 要求有數(shù)字地形描述 ： 區(qū)域風(fēng)統(tǒng)計值 當(dāng)?shù)氐雀呔€ 粗糙度 障礙物,45,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.1 基本方法,WAsP兩條主線： 1. 4個輸入， 得到風(fēng)圖譜(Wind Atla

15、s). 給出標(biāo)準(zhǔn)狀況下風(fēng)的概率分布,一般為Weibull分布。 2. 以所得到的風(fēng)圖譜為基礎(chǔ)，加上4個輸入，計算出風(fēng)機在該點的理論年發(fā)電量;可求出一定范圍內(nèi)風(fēng)機的最佳放置點。,46,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.1 基本方法,47,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.2 WindPro對象介紹,48,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.2 WindPro對象介紹,計算結(jié)果可以存為WAsP LIB文件 也可以存為 WindPRO wind statistic 文件,49,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.2 WindPro對象介紹,Site Data 對象： Atlas和WAsP

16、的接口 和 Resources的接口,根據(jù)應(yīng)用，site對象可以使用不同的顏色，如: 黑用于 Atlas， 藍用于WAsP， 淡藍用于Atlas& WAsP， 黃用于STATGEN， 綠用于RESGEN,50,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.2 WindPro對象介紹,Area對象，用于： 粗糙度區(qū)域（用roughness line 圍起） Wind Resources Steepness region line 對象,用于 等高線和粗糙度線 result 對象， 在屏幕上表示W(wǎng)ind Resource Map,51,3. 風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,MCP(

17、Measure Correlate Predict) 測量的短期數(shù)據(jù)(site) 1-1.5年，風(fēng)速、風(fēng)向 短期數(shù)據(jù)(reference站)，與site的短期數(shù)據(jù)同時間的， 風(fēng)速、風(fēng)向、溫差 長期數(shù)據(jù)(reference站) 10-20年，風(fēng)速、風(fēng)向、溫差 模型：把數(shù)據(jù)校正到現(xiàn)場(site)的長期期望值 reference站數(shù)據(jù)(NCAR, WorldWindAtlas，),52,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得 MCP,53,應(yīng)用條件： site的短期數(shù)據(jù)要與reference站的參考站數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。 相關(guān)含義：找出site數(shù)據(jù)和reference站數(shù)據(jù)是否表示同

18、樣的風(fēng)狀況(wing climate) 質(zhì)量控制 長期的增減趨勢 測風(fēng)位置變動 測風(fēng)儀器更換,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,54,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,檢查小尺度的風(fēng)速和風(fēng)向變化是否匹配,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,55,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,檢查大尺度的風(fēng)速和風(fēng)向變化是否匹配,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,56,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,風(fēng)速的線性關(guān)系分析,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,57,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,風(fēng)向變化分析,3.3 風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,58,輸入： 數(shù)字化的粗糙度圖 a digital roughness ma

19、p 地形信息 Digitized Height Contour Lines 障礙物數(shù)據(jù) Local Obstacles 區(qū)域的風(fēng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù) Wind Statistics 輸出： .rsf文件格式的Wind Resource Map 風(fēng)資源分布圖 用來計算park 作為WindSim 的輸入,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.4 風(fēng)資源分布圖,59,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.4 風(fēng)資源分布圖,Global wind field,60,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,3.4 風(fēng)資源分布圖,Statistical Wind Field Model,450個氣象， 氣象站之間內(nèi)插， 考慮了等高線,61,3.風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與評估方法,