風能資源分析和評估

風能資源分析和評估中國電力科學研究院2006.1.92021/5/91主要內(nèi)容1.風能資源1.1風的形成1.2風的測量1.3風能資源評估的參考判據(jù)1.4風的特性2.復(fù)雜地形對風特性的影響2.1概述2.2粗糙度2.3障礙物2.4地形信息3.風電場風能資源分析與評估方法3.1基本方法3.2WindPro對象介紹3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得3.4風資源分布圖3.5尾流計算3.6發(fā)電量計算3.7風電場項目發(fā)電損失和誤差2021/5/92大氣環(huán)流：風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。季風環(huán)流：由于海陸差異、行星風帶的季節(jié)轉(zhuǎn)化及地形特征引起的，盛行風向（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.風能資源1.1風的形成

2021/5/93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.風能資源1.1風的形成

2021/5/941.風能資源大氣環(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30°N環(huán)流圈緯度30°~60°N環(huán)流圈緯度60°~90°N環(huán)流圈1.1風的形成2021/5/95季風環(huán)流海陸分布的作用：海洋熱容量遠大于陸地冬季：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；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個風帶，南北半球?qū)ΨQ，北半球3個風帶； 夏季均向北移動、冬季則向南移動； 冬季西風帶的南緣地帶在夏季可以變成東風帶。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.風能資源1.1風的形成2021/5/96局地環(huán)流海陸風： 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，形成原因與季風相同，但以日為周期，范圍小，勢力弱。山谷風： 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，形成山谷風環(huán)流。晚間山坡降溫快，于是又形成了相反的環(huán)流。

1.風能資源1.1風的形成2021/5/971.風能資源測量位置測量位置的代表性所選測量位置的風況應(yīng)基本代表該風場的風況；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)在風場主風向的上風向；測量位置數(shù)量，依地形復(fù)雜程度而定。1.2風的測量2021/5/981.風能資源測量參數(shù)風速測量

10min平均風速，用于風能資源計算； 小時平均風速，通過10min平均風速獲得；極大風速,3秒采樣一次的最大值，用于安全計算風向測量 與風速同步采集

16個扇區(qū)氣溫每小時采樣一次并紀錄大氣壓每小時采樣一次并紀錄1.2風的測量2021/5/991.風能資源風玫瑰圖表示各種風向出現(xiàn)的頻率1.2風的測量2021/5/9101.風能資源風玫瑰圖1.2風的測量2021/5/9111.風能資源測量儀器測風儀： 風速傳感器 風向傳感器 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1.2風的測量2021/5/9121.風能資源測量設(shè)備的安裝測風塔結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，應(yīng)能承受30年一遇最大風力沖擊表面應(yīng)防鹽霧腐蝕

1.2風的測量測風塔一處兩處以上測風塔高度不低于輪轂高度不低于輪轂高度；10m整數(shù)倍測風儀數(shù)量應(yīng)有3層至少2層測風儀位置10m高度；輪轂中心高度；10m高度整數(shù)倍10m高度；輪轂中心高度；其余10m高度整數(shù)倍2021/5/9131.風能資源IEC61400-12安裝要求1.2風的測量2021/5/9141.風能資源風功率密度，蘊含風速、風速分布和空氣密度的影響，是風場的綜合指標風向頻率及風能密度方向分布風速的日變化和年變化 湍流強度0.10較小,0.10~0.25中等,>0.25過大。極大風速（每3s采樣一次的最大的風速值）低氣溫（氣溫低于-30）其他，雷電、電線結(jié)冰、沙暴、鹽霧1.3風能資源評估的參考判據(jù)

2021/5/9151.風能資源平均風功率密度和有效風功率密度平均風功率密度：設(shè)定時段內(nèi)的逐小時風功率密度的平均值1.3風能資源評估的參考判據(jù)

第i次記錄的風速(m/s)

空氣密度(kg/m3)

有效風功率密度：風速只計切入風速到切除風速之間的

2021/5/916風功率密度等級表風功率密度等級10m高度30m高度50m高度風功率密度w/m2年平均風速參考值m/s風功率密度w/m2年平均風速參考值m/s風功率密度w/m2年平均風速參考值m/s1<1004.4<1605.1<2005.62100-1505.1160-2405.9200-3006.43150-2005.6240-3206.5300-4007.04200-2506.0320-4007.0400-5007.55250-3006.4400-4807.4500-6008.06300-4007.0480-6408.2600-8008.87400-10009.4640-160011.0800-200011.9注：1.不同高度的年平均風速參考值是按風切變指數(shù)為1/7推算；

2.與風功率密度上限值對應(yīng)的年平均風速參考值，按海平面大氣壓及風速頻率符合瑞利分布推算。2021/5/9171.風能資源湍流強度（風速標準偏差）計算

1.3風能資源評估的參考判據(jù)

10min風速標準偏差10min的平均風速m/s10min內(nèi)每一秒的采樣值2021/5/9181.風能資源風速的垂直梯度：風速隨高度變化風廓線（windprofile）風速的頻率分布

1.4風的特性2021/5/9191.風能資源風速隨高度變化

造成風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風的特性為高度h上的風速卡曼系數(shù)，0.4左右摩擦速度地面剪切應(yīng)力粗糙度參數(shù)2021/5/9201.風能資源兩個高度風速的關(guān)系：

1.4風的特性α地表粗糙度指數(shù)，通過在不同高度上測風求得,

當?shù)孛娲植诙任粗獣r,可指數(shù)公式確定：

α值變化從1/15~1/4，最常用的是1/7，即

α=0.1422021/5/9211.風能資源不同地形的粗糙度長度和粗糙度指數(shù)

1.4風的特性地形類型粗糙等級粗糙長度z0(m)指數(shù)α水面00.0010.01開闊農(nóng)村，少地表特性10.0120.12有樓房和柵欄的農(nóng)田20.050.16多樹木和森林的農(nóng)田和鄉(xiāng)村30.30.282021/5/9221.風能資源風速隨高度變化系數(shù)1.4風的特性離地面高度mα值離地面高度mα值0.120.1420.160.120.1420.16101.101.101.00551.231.271.31151.051.061.07601.241.291.33201.091.101.12651.251.301.35251.121.141.16701.261.321.37301.141.171.19751.271.331.38351.161.191.22801.281.341.39401.181.221.25851.291.361.41451.201.241.27901.301.371.42501.211.261.291001.321.391.452021/5/9231.風能資源風頻率分布通常用風速的頻率分布函數(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

2021/5/9241.風能資源1.4風的特性2021/5/9252.復(fù)雜地形對風特性的影響平坦地形應(yīng)符合下列條件(Frost和Nowak)

:在風電場四周11.5km直徑范圍內(nèi)任一點，風電場與周圍地形的高差不大于60m在風電場上風向4km和下風向0.8km內(nèi)的山丘，其高寬比不大于1/50在上風向4km范圍內(nèi)，風機葉片下端離地的高度大于3倍最大高差h

2.1概述2021/5/9262.復(fù)雜地形對風特性的影響2.1概述平坦地形應(yīng)符合的條件2021/5/9272.復(fù)雜地形對風特性的影響不規(guī)則地形會改變風的流態(tài)

風剪切

風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)，認為氣流是自由的、不受干擾

2.1概述粗糙度等級10m高風速30m高風速06.016.07.236.08.02021/5/9282.復(fù)雜地形對風特性的影響應(yīng)擁有的信息測風數(shù)據(jù)地形信息（等高線）粗糙度信息障礙物信息風電機組功率曲線

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2021/5/9292.復(fù)雜地形對風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，用粗糙度等級或粗糙度長度來表示用粗糙度線(roughnessline)包圍一個區(qū)域粗糙度線不能交叉。一般風場需在約10~20km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)2021/5/9302.復(fù)雜地形對風特性的影響3km處粗糙度對風機出力的影響2.2粗糙度(roughness)2021/5/9312.復(fù)雜地形對風特性的影響2.2粗糙度粗糙度和地表特征的對應(yīng)關(guān)系

粗糙度等級粗糙度長度風能減少(%)

地形描述00.0002100水面0.50.002473水陸混合地區(qū)或很光滑的陸地10.0352非常開闊的農(nóng)場1.50.05545農(nóng)場帶有小建筑物、1250米遠有8米高的樹籬20.1039農(nóng)場帶有小建筑物的、800米遠有8米高的樹籬2.50.2031農(nóng)場帶有封閉的外觀，稠密的植被,250米遠有8米高的樹籬30.4024村莊、小城鎮(zhèn)，帶有高的樹籬、森林，許多突出的地形變化等3.50.8018大城鎮(zhèn)、帶有伸展開的建筑的城市，41.613大城市，帶有建筑群和高建筑物2021/5/9322.復(fù)雜地形對風特性的影響2.2粗糙度防風林帶高度對粗糙度等級的影響

2021/5/9332.復(fù)雜地形對風特性的影響2.2粗糙度粗糙度長度和粗糙度等級的關(guān)系

2021/5/9342.復(fù)雜地形對風特性的影響2.3障礙物風速遇障礙物損失的百分數(shù)

2021/5/9352.復(fù)雜地形對風特性的影響2.3障礙物(Block)靠近實體障礙物的氣流形成湍流的范圍2021/5/9362.復(fù)雜地形對風特性的影響2.3障礙物靠近防風林帶的氣流形成的湍流，與通透度有關(guān)2021/5/9372.復(fù)雜地形對風特性的影響防風林帶形態(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

防風林帶形態(tài)通透度Ｐ實心（墻）0很密0.35密0.35~0.5開闊>0.52021/5/9382.復(fù)雜地形對風特性的影響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（風機輪轂高度＋葉片半徑）>3h,且風機距障礙物的距離>50h或風機輪轂高度>４h,且風機距障礙物的距離>1000m

2021/5/9392.復(fù)雜地形對風特性的影響用等高線（heightcontourline)需定義約5~10km半徑范圍

由于氣流通過山地時被壓縮，風速增加2.4地形信息

（orography）2021/5/9402.復(fù)雜地形對風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）2021/5/9412.復(fù)雜地形對風特性的影響2.4地形信息

2.4地形信息

（orography）WAsP極坐標計算，原點處計算精度高；

2021/5/9422.復(fù)雜地形對風特性的影響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）2021/5/9433.風電場風能資源分析與評估方法

3.1基本方法

估計/計算風電場出力基本上有2種不同的方法基于當?shù)仫L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，如風圖譜（WindAtlas）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)域風統(tǒng)計值當?shù)氐雀呔€粗糙度障礙物2021/5/9443.風電場風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，得到風圖譜(WindAtlas).給出標準狀況下風的概率分布,一般為Weibull分布。2.以所得到的風圖譜為基礎(chǔ)，加上4個輸入，計算出風機在該點的理論年發(fā)電量;可求出一定范圍內(nèi)風機的最佳放置點。2021/5/9453.風電場風能資源分析與評估方法

3.1基本方法

2021/5/9463.風電場風能資源分析與評估方法

3.2WindPro對象介紹

2021/5/9473.風電場風能資源分析與評估方法

3.2WindPro對象介紹

計算結(jié)果可以存為WAsPLIB文件也可以存為WindPROwindstatistic文件

2021/5/9483.風電場風能資源分析與評估方法

3.2WindPro對象介紹

SiteData對象：Atlas和WAsP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RESGEN2021/5/9493.風電場風能資源分析與評估方法

3.2WindPro對象介紹

Area對象，用于：

粗糙度區(qū)域（用roughnessline圍起）WindResourcesSteepnessregion

line對象,用于等高線和粗糙度線

result對象，在屏幕上表示W(wǎng)indResourceMap2021/5/9503.風電場風能資源分析與評估方法

3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

MCP(MeasureCorrelatePredict)測量的短期數(shù)據(jù)(site)1-1.5年，風速、風向短期數(shù)據(jù)(reference站)，與site的短期數(shù)據(jù)同時間的， 風速、風向、溫差長期數(shù)據(jù)(reference站)10-20年，風速、風向、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，)2021/5/9513.風電場風能資源分析與評估方法

3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

MCP2021/5/952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)是否表示同樣的風狀況(wingclimate)質(zhì)量控制 長期的增減趨勢 測風位置變動 測風儀器更換

3.風電場風能資源分析與評估方法

3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

2021/5/9533.風電場風能資源分析與評估方法

檢查小尺度的風速和風向變化是否匹配3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

2021/5/9543.風電場風能資源分析與評估方法

檢查大尺度的風速和風向變化是否匹配3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

2021/5/9553.風電場風能資源分析與評估方法

風速的線性關(guān)系分析

3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

2021/5/9563.風電場風能資源分析與評估方法

風向變化分析

3.3風資源數(shù)據(jù)的獲得

2021/5/957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)域的風的統(tǒng)計數(shù)據(jù)WindStatistics

輸出：

.rsf文件格式的WindResourceMap風資源分布圖 用來計算park

作為WindSim的輸入

3.風電場風能資源分析與評估方法

3.4風資源分布圖

2021/5/9583.風電場風能資源分析與評估方法

3.4風資源分布圖

Globalwindfield

2021/5/9593.風電場風能資源分析與評估方法

3.4風資源分布圖

StatisticalWindFieldModel

450個氣象，氣象站之間內(nèi)插，考慮了等高線2021/5/9603.風電場風能資源分析與評估方法

3.4風資源分布圖

Mesoscaleflowmodels

2021/5/9613.風電場風能資源分析與評估方法3.4風資源分布圖

2021/5/9623.風電場風能資源分析與評估方法流體模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中尺度流體模型 WAsP

等格網(wǎng)狀極坐標，對特定點計算，一點精度高，但其它點差3.4風資源分布圖

2021/5/9633.風電場風能資源分析與評估方法影響尾流的參數(shù)風速幾何參數(shù)葉