.,1,風(fēng)能資源分析和評(píng)估,中國(guó)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(cè)量1.3風(fēng)能資源評(píng)估的參考判據(jù)1.4風(fēng)的特性2.復(fù)雜地形對(duì)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(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法3.1基本方法3.2WindPro對(duì)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(jì)算3.6發(fā)電量計(jì)算3.7風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目發(fā)電損失和誤差,.,3,大氣環(huán)流：風(fēng)是由太陽(yáng)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(dòng)。季風(fēng)環(huán)流：由于海陸差異、行星風(fēng)帶的季節(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(dòng)。,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(yáng)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(dòng)。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(dá)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(gè)風(fēng)帶，南北半球?qū)ΨQ，北半球3個(gè)風(fēng)帶；夏季均向北移動(dòng)、冬季則向南移動(dòng)；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(duì)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)，形成原因與季風(fēng)相同，但以日為周期，范圍小，勢(shì)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(yáng)光熱多，被加熱的暖空氣不斷上升，而谷底上空相對(duì)較冷的空氣則下沉補(bǔ)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(cè)量位置測(cè)量位置的代表性所選測(cè)量位置的風(fēng)況應(yīng)基本代表該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況；測(cè)量位置附近應(yīng)無(wú)高大建筑物、樹(shù)木等：與單個(gè)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(cè)量位置應(yīng)在風(fēng)場(chǎng)主風(fēng)向的上風(fēng)向；測(cè)量位置數(shù)量，依地形復(fù)雜程度而定。,1.2風(fēng)的測(cè)量,.,9,1.風(fēng)能資源,測(cè)量參數(shù)風(fēng)速測(cè)量10min平均風(fēng)速，用于風(fēng)能資源計(jì)算；小時(shí)平均風(fēng)速，通過(guò)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(jì)算風(fēng)向測(cè)量與風(fēng)速同步采集16個(gè)扇區(qū)氣溫每小時(shí)采樣一次并紀(jì)錄大氣壓每小時(shí)采樣一次并紀(jì)錄,1.2風(fēng)的測(cè)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(cè)量,.,11,1.風(fēng)能資源,風(fēng)玫瑰圖,1.2風(fēng)的測(cè)量,.,12,1.風(fēng)能資源,測(cè)量?jī)x器測(cè)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(gè)月，低溫）大氣溫度計(jì)大氣壓力計(jì)測(cè)量?jī)x器應(yīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn),1.2風(fēng)的測(cè)量,.,13,1.風(fēng)能資源,測(cè)量設(shè)備的安裝測(cè)風(fēng)塔結(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(cè)量,.,14,1.風(fēng)能資源,IEC61400-12安裝要求,1.2風(fēng)的測(cè)量,.,15,1.風(fēng)能資源,風(fēng)功率密度，蘊(yùn)含風(fēng)速、風(fēng)速分布和空氣密度的影響，是風(fēng)場(chǎng)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(qiáng)度0.10較小,0.100.25中等,0.25過(guò)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(píng)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(shí)段內(nèi)的逐小時(shí)風(fēng)功率密度的平均值,1.3風(fēng)能資源評(píng)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(jì)切入風(fēng)速到切除風(fēng)速之間的,.,17,風(fēng)功率密度等級(jí)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(duì)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(qiáng)度（風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差）計(jì)算,1.3風(fēng)能資源評(píng)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/s10min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（windprofile）風(fēng)速的頻率分布,1.4風(fēng)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(dòng)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(shí)，其主要作用的是動(dòng)力因素.經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(guò)在不同高度上測(cè)風(fēng)求得,當(dāng)?shù)孛娲植诙任粗獣r(shí),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(zhǎng)度和粗糙度指數(shù),1.4風(fēng)的特性,.,23,1.風(fēng)能資源,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(lái)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(shí)，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(duì)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(chǎng)四周11.5km直徑范圍內(nèi)任一點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)與周圍地形的高差不大于60m在風(fēng)電場(chǎng)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(jī)葉片下端離地的高度大于3倍最大高差h,2.1概述,.,27,2.復(fù)雜地形對(duì)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(duì)風(fēng)特性的影響,不規(guī)則地形會(huì)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(duì)風(fēng)特性的影響,應(yīng)擁有的信息測(cè)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(jī)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(gè)扇區(qū)包含上述信息,2.1概述,.,30,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,粗糙度等級(jí)的概念粗糙度描述一個(gè)區(qū)域的地表特征，用粗糙度等級(jí)或粗糙度長(zhǎng)度來(lái)表示用粗糙度線(roughnessline)包圍一個(gè)區(qū)域粗糙度線不能交叉。一般風(fēng)場(chǎng)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(duì)風(fēng)特性的影響,3km處粗糙度對(duì)風(fēng)機(jī)出力的影響,2.2粗糙度(roughness),.,32,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,2.2粗糙度粗糙度和地表特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系,.,33,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,2.2粗糙度防風(fēng)林帶高度對(duì)粗糙度等級(jí)的影響,.,34,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,2.2粗糙度粗糙度長(zhǎng)度和粗糙度等級(jí)的關(guān)系,.,35,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,2.3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(duì)風(fēng)特性的影響,2.3障礙物(Block),靠近實(shí)體障礙物的氣流形成湍流的范圍,.,37,2.復(fù)雜地形對(duì)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(duì)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W(wǎng)AsP把每一個(gè)障礙物看作一個(gè)長(zhǎng)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(duì)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(lái)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(jī)輪轂高度葉片半徑）3h,且風(fēng)機(jī)距障礙物的距離50h或風(fēng)機(jī)輪轂高度h,且風(fēng)機(jī)距障礙物的距離1000m,.,40,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,用等高線（heightcontourline)需定義約510km半徑范圍由于氣流通過(guò)山地時(shí)被壓縮，風(fēng)速增加,2.4地形信息（orography）,.,41,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,氣流通過(guò)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(duì)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(jì)算，原點(diǎn)處計(jì)算精度高；,.,43,2.復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)特性的影響,RIXRuggednessIndexRiso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(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.1基本方法,估計(jì)/計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)出力基本上有2種不同的方法基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)測(cè)量（12個(gè)扇區(qū)）的氣象數(shù)據(jù)和Weibull分布。借助于計(jì)算機(jī)模型，如風(fēng)圖譜（WindAtlas）或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)值當(dāng)?shù)氐雀呔€粗糙度障礙物,.,45,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.1基本方法,WAsP兩條主線：1.4個(gè)輸入，得到風(fēng)圖譜(WindAtlas).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(gè)輸入，計(jì)算出風(fēng)機(jī)在該點(diǎn)的理論年發(fā)電量;可求出一定范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)的最佳放置點(diǎn)。,.,46,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.1基本方法,.,47,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.2WindPro對(duì)象介紹,.,48,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.2WindPro對(duì)象介紹,計(jì)算結(jié)果可以存為WAsPLIB文件也可以存為WindPROwindstatistic文件,.,49,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.2WindPro對(duì)象介紹,SiteData對(duì)象：Atlas和WAsP的接口和Resources的接口,根據(jù)應(yīng)用，site對(duì)象可以使用不同的顏色，如:黑用于Atlas，藍(lán)用于WAsP，淡藍(lán)用于Atlas&WAsP，黃用于STATGEN，綠用于RESGEN,.,50,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.2WindPro對(duì)象介紹,Area對(duì)象，用于：粗糙度區(qū)域（用roughnessline圍起）WindResourcesSteepnessregionline對(duì)象,用于等高線和粗糙度線result對(duì)象，在屏幕上表示W(wǎng)indResourceMap,.,51,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.3風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,MCP(MeasureCorrelatePredict)測(cè)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(shí)間的，風(fēng)速、風(fēng)向、溫差長(zhǎng)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(chǎng)(site)的長(zhǎng)期期望值reference站數(shù)據(jù)(NCAR,WorldWindAtlas，),.,52,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)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)是否表示同樣的風(fēng)狀況(wingclimate)質(zhì)量控制長(zhǎng)期的增減趨勢(shì)測(cè)風(fēng)位置變動(dòng)測(cè)風(fēng)儀器更換,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.3風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲得,.,54,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)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(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)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(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)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(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)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adigitalroughnessmap地形信息DigitizedHeightContourLines障礙物數(shù)據(jù)LocalObstacles區(qū)域的風(fēng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)WindStatistics輸出：.rsf文件格式的WindResourceMap風(fēng)資源分布圖用來(lái)計(jì)算park作為WindSim的輸入,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.4風(fēng)資源分布圖,.,59,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.4風(fēng)資源分布圖,Globalwindfield,.,60,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.4風(fēng)資源分布圖,StatisticalWindFieldModel,450個(gè)氣象，氣象站之間內(nèi)插，考慮了等高線,.,61,3.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析與評(píng)估方法,3.4風(fēng)資源分布圖