一、区域风能资源分析
景泰县自然地理概况
景泰县位于地处我国西部的甘肃省中部,河西走廊东端,甘、蒙、宁三省(区)交界处。黄土高原与腾格里沙漠的过渡地带,地理位置在东经103°33′～104°43′,北纬36°43′～37°38′之间,为古丝绸之路重镇。
景泰县地处季风区与非季风区过渡地带,县境内气候呈现出明显的大陆性气候特征,年均降水量185mm,多集中在7、8、9三个月,占全年降水量的61.4%,年均蒸发量3038mm,是降水量的16倍。光热资源丰富,年日照时约为2725h,日照百分率62%,太阳年平均辐射约147.8千卡/cm2,年≥0℃的活动积温3614.8℃,≥10℃的有效积温3038℃,无霜期141d,是我国除青藏高原外光热资源最丰富的地区之一,全县平均海拔1620m,最高海拔3321m。
二、风能资源代表性及订正
根据相关分析可知,风电场测风塔风速与景泰气象站风速的相关系数为0.56,在进行测风数据订正时,采用景泰气象站的数据作为订正依据。景泰气象站长期测风数据进行分析可知,该气象站长期以来年际变化小,风速较为稳定。通过分析可知,该气象站近20年来的测风数据可以反映当地代表性的风速情况,景泰气象站2004年采用自动观测后,其风速与往年有较大提高,通常情况下,自动观测值比人工观测值稍偏大。景泰气象站近20年平均风速为1.9m/s,而与风场同期测风时段自动观测的平均风速为2.1m/s,为使风速订正更适应实际情况,本次取为2.02m/s进行订正。根据规程规范推荐采用的“风速对应时刻法”,对2#测风塔的测风数据进行订正,最终得到景泰兴泉风电场2#测风塔代表年的风速风向数据。
三、场址风况分析
1、空气密度
建立景泰气象站和3#测风塔的相关关系,其中景泰气象站气压、气温与3#测风塔气压、气温的相关公式和系数见下表5-5。
根据景泰气象站近30年平均气温、气压和水汽压计算空气密度,根据表5-5中的公式可推求风场的多年的平均气温为10.7℃,气压值为818.2hPa,根据公式
式中:t为平均气温,p为平均气压,e为平均水汽压。
计算得出风电场处的空气密度为1.002kg/m3。
2、风切变指数
风切变指数计算公式为:
式中:——风切变指数;
z1、z2——离地的测风高度(m);
、——z1、z2高度的风速值(m/s)。
根据兴泉2#测风塔2006年1月～2006年12月不同高度(10m、40m)的10m和40m间的风切变指数为0.095;根据兴泉3#测风塔2006年8月～2006年12月不同高度(10m、40m、50m、60m、70m)测风资料,利用风速随高度变化的关系,计算出不同高度的风切变指数如下表5-6。
3、湍流强度
湍流强度是度量相对于风速平均值而起伏的湍流的强弱,其计算公式如下:
式中为风速标准差(m/s),V为平均风速(m/s)。
风电场的湍流特征很重要,因为它对风电机组性能和寿命有直接影响,当湍流强度大时,会减少输出功率,还可能引起极端荷载,最终削弱和破坏风电机组。I值在0.10或以下表示湍流相对较小,中等程度湍流的I值为0.10～0.25,更高的I值表明湍流过大。对风电场而言,要求湍流强度I值不超过0.25。
对风电场而言,主要关心的是大风速对风机的影响,特别小的风速对风机的影响不大。因此,本次取15m/s以上的风速进行湍流强度计算。
将兴泉2#测风塔2006年1月～2006年12月40m高度15m/s风速段平均风速和相应风速标准偏差代入上式计算,求出40m高度湍流强度为0.0818,说明本风场湍流强度相对较小。
4、50年一遇最大风速
根据景泰气象站近30年(1975～2004)实测年最大风速,采用极值I型概率分布统计出50年一遇10m最大风速为21.4m/s,极大风速为30.0m/s。50年一遇最大风速计算公式为:
式中:V为风速;=12.2为分布位置参数;α=0.423为分布尺度参数。
推算至风力发电机组轮毂59.1m、65m和70m高度50年一遇最大风速分别为35.5m/s、35.8m/s和36.1m/s(切变指数取0.095)。
5、风速和风能频率分布
以1m/s为一个风速区间,统计2#测风塔65m高度每个风速区间内风速和风能出现的频率,详见表5-7和图5-7。其中每个风速区间的数字代表中间值,如6m/s风速区间为5.5m/s到6.4m/s;有效小时数按风速位于3.5m/s～25m/s之间的小时之和计算。
对于2#测风塔,65m高度风速集中在2m/s～9m/s,风能则集中在8m/s～15m/s。
由图表还可以看出,2#测风塔的有效小时数均在6500h以上,且无破坏性风速发生,风速和风能的利用效率高。
6、风速的威布尔分布
通常用于拟合风速分布的线形很多,有瑞利分布、对数正态分布、双参数威布尔、三参数威布尔分布等,也可用皮尔逊曲线进行拟合。双参数威布尔分布是一种单峰的,两参数的分布函数簇。其概率密度函数可表达为:
式中:k——形状参数;
c——尺度参数。
2#测风塔65m高度风速的威布尔分布参数见表5-8,威布尔分布图形见图5-8。
7、风向频率和风能密度方向
2#测风塔有2个风向通道,即10m、40m风向通道。2#测风塔40m全年的风向和风能玫瑰图见图5-9。
从全年的风向和风能玫瑰图可以看出,该塔40m高度风向和风能玫瑰图集中于S和NW方向,主风向和风能方向明显。
40m高度的风向9、10、11、12月份以S为主,5、6月份以NW为主,1月份以S、SSE为主,其余月份的风向均集中于NW、NNW扇区;风能密度方向9、10、11、12月份以S为主,1月份以SSE为主,其余月份则集中在NW和NNW方向。
8、风速和风功率密度年变化
2#测风塔各测风高度的风速和风功率密度年内变化情况详见表5-11和图5-12。
由上述图表可以看出,2#塔65m高度风速和风功率密度年内变化基本一致。各高度的风速、风功率密度都是4月份最大,7、8、9、10月份相对较低。
总体而言,该测风塔的风速和风功率密度的年内变化均呈冬春季大,夏秋季小的特点。
9、风速和风功率密度日变化
对于60701#,60m高度的风速、风功率密度日内变化都是一致的,风速和风功率密度在日内呈波浪状变化,在10时和1时分别到达最高峰和最低点,风速的变化较为平缓,但风功率的变化在10时和20时附近变化稍大。
总体而言,场址区全年的风速日变化均不大,风速、风能较为稳定。
10、场址风能资源分布
在前面计算分析基础上,由2#测风塔65m的测风数据模拟计算的本风电场风功率密度分布可知,风能资源随地势起伏变化较大,地势较高山脊和山峰处风能资源较为丰富。
11、恶劣气象条件对风场的影响分析
景泰县地处季风区与非季风区、黄土高原和腾格里沙漠的过渡地带,县境内气候呈现出明显的大陆性气候特征。可能对风场产生不利影响的恶劣气象条件主要有极端低温、沙尘暴。
(1)极端低温及高温
根据景泰气象站的观测资料统计(见表5-1),该站的极端最低气温为-26.6℃,极端最高气温为38.6℃,该气象站海拔1631m,景泰兴泉风电场的海拔在1700m~1900m,根据高度每升高100m温度下降约0.6℃推断,场址的极端最低气温在-28℃,极端最高气温在37.2℃,而风机对低温的承受能力一般能达到-20℃,对高温的承受能力在40℃因此,低温对该风电场的运行有一定得影响,而高温对风电场则基本没有影响。
(2)沙尘暴
本风电场处于腾格里沙漠和黄土高原的过渡地带,属于沙尘暴的高发区,根据景泰气象站的观测,其累年沙尘暴天数12d。
沙尘暴属于自然现象,它是低压系统运动造成的,强大的气旋和低压系统,造成了气流负荷和气流上升的运动,上升气流会把地面疏松的沙尘物质送到上空,再随着涡旋不断移动,把沙尘从原地搬到另外一个地方。沙尘天气一般分为浮尘、扬沙和沙尘暴三种情况,并以风速和能见度作为区分三者的标准。
强烈的沙尘暴能吹断输电线路,破坏风机叶片,造成风场出力下降。
沙尘会引起线路跳闸,降低供电可靠性;而沙尘暴过后,户外变电站的电力设备表面沉积大量的沙尘,若下小雨也可能会引起短路跳闸。
因此,在本风电场的运行设计中,应对沙尘暴问题给予充分重视。
13、场址风能资源综合分析与评价
根据对本风电场的风能资源分析可知,该风电场的风能资源较为丰富,风速和风功率密度较大,具有明显的主风能方向。
本风电场代表性测风塔(2#塔)65m高度的年平均风速为6.5m/s,年平均风功率密度为319.7W/m2;年有效利用小时高,在6500h以上;风速和风能的年内变化趋势基本一致;场址风向和风能密度方向稳定,主要集中于S和NW扇区,具有明显的主风能方向;风速和风功率密度的年内变化和日变化均较小,风切变指数小,湍流强度很小,可进行风电开发。
四、结论
通过对本风电场的风能资源评估分析后,可以得到以下几点结论:
本风电场风能资源较为丰富,2#测风塔65高度的年平均风速分别为6.5m/s,风功率密度为319.7W/m2。
风向稳定,风能分布集中。风电场65m高度处代表年风向和风能主要集中在S和NW;风速主要集中在2m/s～9m/s,所占比重约77.94%,风能主要集中在8m/s～15m/s,约占总风能的72.42%。
风电场有效风速小时数较高。2#测风塔65m高度测风数据3m/s～20m/s有效风速小时数占全年小时数的比值分别81.75%,即有效风速小时数为7162.6h,大多数情况下,风速处于可利用范围内。
本风电场内70m和65m高度,50年一遇最大风速分别为36.1m/s、35.8m/s。根据风电场测风资料对风电场现场的空气密度进行计算,最后推荐本风电场的空气密度采用值为1.002kg/m3。
综上所述,本风电场风能资源较好,风能分布集中,对风电机组的布置较为有利,是一个较好的风电场场址,具有一定的开发价值。
作者简介:邢绍魏,男,甘肃白银人,电气工程师,汉语言文学学士,注册监理工程师,现在首都机场集团中企建华国际项目管理公司工作,主要从事机场的新建和改扩建项目管理,参与了运城,哈密,西双版纳,乌鲁木齐等机场的新建和改扩建工程,主要专业为灯光,强弱电,空管通讯
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