摘 要：结合山西省平陆风电场工程，对测风资料进行了分析，通过实测场址年空气密度、风速得出了风功率密度、风速频率及风能频率等指标，总结了不同高度风向及其风能分布规律，并在此基础上推算了风电场高度为65m处50年一遇10min平均最大风速及瞬时极大风速。本文的研究成果为该风场风能资源的精确评估提供科学依据。

　　关键词：风电场;风能资源;评估

　　Abstract: By analyzing the wind measurement data with wind farm project of Pinglu, Shanxi province. Through site date of annual air density and wind speed, it can get wind power density, wind speed frequency and wind energy frequency, and get the wind distribution law of wind direction at different height and wind energy, and calculates average maximum wind speed and transient maximum wind speed of 65m height during 10minutes of each 50 years. This paper provides scientific assessment of wind energy resource for the wind farm.

　　Keywords: wind farm; wind energy resource;assessment

　　1 引言

　　近年来，能源危机已经是人类共同面对的世界难题，风电是绿色可再生能源， 风力发电既不消耗矿物能源，又能减少环境污染，是一类具有良好社会效益和经济效益的新兴能源项目，发展风电是实施能源可持续发展战略的重要措施，我国目前正在大力加快风电建设，风能的开发利用也已被提上了重要的议事日程。开发利用风能资源，首先要了解资源的分布情况。研究表明：中国可开发的风能资源总储量为2.53亿kW，但风能资源分布不均。风能资源的评估是是风电场前期工作的重要组成部分，也是风电场建设成败的关键，因此，开展风能资源评价工作具有重要意义。本文在气象站测风数据的基础上对平陆风电场的风能资源进行了评估。

　　2 平陆风电场概况

　　平陆风电场位于山西省平陆县北部张店乡村附近，距平陆县城北偏西约20km。中条山由东到西条形分布，为海拔相差较大的山区地形，地形险峻，山峰突兀，海拔在800m～1787.3m。拟建风场位于中条山山口地段，南北风的通道，风力资源十分丰富。该风电场地势开阔，交通较便利，由于该风电场场址位于中条山中段山口，南北风通道，使得风速在拟选场址得到加强。

　　平陆风电场场址实测年10m高年平均风速和年风功率密度分别为5.37m/s和243.1W/m2，代表年65m高平均风速和风功率密度分别为6.8m/s和427W/m2，风功率密度等级为4级，属风能资源丰富地区。风速、风功率密度春夏季较大，秋冬季较小。该风电场盛行风向稳定，湍流强度较小，全年主导风向和风能密度最大方向分别为S和SSE，场区实测空气密度为1.11kg/m3，风切变指数为0.09。盛行风向有利于拟选场址机组布置，是建设大型风电场较好的场址。

　　3 风能资源计算与分析

　　测风的目的在于掌握风场风速在平面上的分布及随高度变化的情况，确定其是否具有开发价值。本文风资源评价是根据平陆风力发电场70m测风塔资料(2005年9月～2006年8月)进行分析，本测风塔设四层(10m，30m，50m，70m)高度测风，同时观测风向、气温、气压要素，测风仪采用进口NOMAD全自动测量设备。

　　根据GB/T 18710-2002 标准及测风塔主要参数的不合理数据统计。经判别测风塔小时平均风速不合理数据占总数据的比例0.1%，小时风向不合理数据约占总数据的比重26.8%。测风有效数据完整率约大于99%，符合GB/T 18710-2002 标准中的相应要求。

　　3.1空气密度

　　空气密度与气温、气压、水汽压和海拔高程有关，在标准大气压(温度为15℃，气压为1013.25hPa)时，空气密度为1.2255kg/m3。根据多年平均气温、气压和绝对湿度计算空气密度，计算公式为：

式中：—年平均气温(℃);—年平均气压(hPa);—年平均水汽压(hPa)。

　　平均气温、平均气压分别采用测风塔实测数据12.3℃，917.1hPa，平均水汽压采用平陆气象站数据11.5hPa，计算风电场空气密度为1.11kg/m3。

　　3.2风速及风功率密度

　　测风塔各层逐时风速风向数据进行统计结果见表1，计算结果表明：该场址实测年10m、30m、50m和70m高度年平均风速分别为5.37m/s、6.71m/s、6.89m/s和7.02m/s，相应的风功率密度分别为243W/m2、410W/m2、430W/m2和460W/m2。风速、风功率密度冬夏季较大，春秋季较小。平均风速及风功率密度随测风高度的增高而增大，8月份达最大值，11月份达最小值。另外，根据平陆70m高测风塔2005年9月～2006年8月测风资料，70m高度极大风速为30.5m/s;70m高度小时最大风速为24.7m/s，时间为2006年5月11日13时。

　　表1 测站实测年风速及风功率密度 月份 风速/ m·s-1 风功率密度/ W·m-2 10m 30m 50m 70m 10m 30m 50m 70m 1 5.7 6.8 6.8 6.8 325 516 502 520 2 5.6 6.7 6.9 6.9 318 484 506 504 3 4.7 5.9 6.1 6.2 143 255 276 277 4 5.2 6.6 6.8 7.0 218 382 402 430 5 6.0 7.6 7.7 7.9 336 564 588 639 6 5.1 6.5 6.7 6.9 179 317 344 384 7 6.1 7.5 7.6 7.7 319 528 546 588 8 6.6 8.1 8.3 8.4 342 572 600 667 9 6.3 7.7 8.0 8.1 290 491 521 574 10 4.5 5.8 6.1 6.3 178 315 341 377 11 3.7 4.9 5.2 5.3 94 170 188 198 12 4.9 6.3 6.5 6.6 177 321 350 360 平均 5.37 6.71 6.89 7.02 243 410 430 460 根据平陆气象站风速统计，考虑气象站和风电场地形、外界环境等因素影响，参考国家的《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中风压等值线图，推算风电场50年一遇10m高10min平均最大风速约为29.5m/s，根据测风塔不同高度平均风速计算的风切变指数，结果见表2，本次测风塔风切变指数取0.09。

　　表2 测站实测风切变指数计算结果 测风高度/m 年平均风速/ m·s-1 切变 10 m 30m 50m 70 7 0.13 0.05 0.04 50 6.9 0.15 0.06 30 6.7 0.20 10 5.4 采用风电场实测风切变指数，推算风电场50年一遇65m高10min平均最大风速约35m/s，相应50年一遇65m高瞬时极大风速约51m/s。

　　根据70m高测风塔测风资料进行推求，计算出测风塔不同高度平均湍流强度见表3。由表中可以看出：各高度平均湍流强度0.12～0.17，测风塔不同高度湍流强度相对较小。

　　表3 测风塔不同高度平均湍流强度表 高度 10m 30m 50m 70m 湍流强度 0.17 0.13 0.12 0.13 3.3风速频率及风能频率

　　风场测风塔实测年不同高度风速及风能分布情况如图1～4所示：

　　图1测风塔实测年10m高风速及风能分布

　　图2测风塔实测年30m高风速及风能分布

　　图3测风塔实测年50m高风速及风能分布

　　图4测风塔实测年70m高风速及风能分布

　　由图1～4不难看出：测风塔实测年10m高风速主要分布在1m/s～9 m/s,最大值出现在2.5 m/s，约占13.7%，风能基本呈正态分布，当风速处于10.5m/s时，风能所占比例达最大，约为13%;测风塔实测年30m高风速主要分布在1m/s～12 m/s,最大值出现在4 m/s，约占11.5%，当风速处于12m/s时，风能所占比例达最大，约为11%;测风塔实测年50m高风速分布与30m高风速分布近似，当风速处于13m/s时，风能所占比例达最大，约为11.5%;测风塔实测年70m高风速主要分布在1m/s～12 m/s,最大值出现在4 m/s，约占10.7%，当风速处于12m/s时，风能所占比例达最大，约为11.3%。

　　3.4风向及其风能分布

　　风场测风塔不同高度实测年全年主导风向及不同方向风能分布情况见图5～8，

　　(a)风向 (b)风能

　　图5 测风塔实测年10m高风向、风能玫瑰图

　　(a)风向 (b)风能

　　图6 测风塔实测年30m高风向、风能玫瑰图

　　(a)风向 (b)风能

　　图7 测风塔实测年50m高风向、风能玫瑰图

　　(a)风向 (b)风能

　　图8 测风塔实测年70m高风向、风能玫瑰图

　　由图5～8可以看出：测风塔10m高实测年全年主导风向S，频率为35%，风能密度分布最大方向也为S，比重为59.8%;测风塔30m高实测年全年主导风向S，频率为35%，风能密度分布最大方向也为S，比重约为58%;测风塔50m高实测年全年主导风向S，频率约为21%，风能密度分布最大方向为SSE，比重为36%;70m高实测年全年主导风向为S，频率为19%，风能密度分布最大方向为SSE，比重为39%。可见，拟选场址的主风向又为强风向，且以SSE—S方向出现频率较高，约为35%，相应风能分布比重约为57%。

　　4 结论

　　根据《风电厂风能资源评估方法》(GB/T18710-2002)的有关内容，通过本文的计算与分析可知，平陆风电场场址风功率密度等级为3级，属风能资源丰富地区。风速、风功率密度春夏季较大，秋冬季较小。该风电场盛行风向稳定，湍流强度较小，全年主导风向和风能密度最大方向分别为S和SSE，场区实测空气密度为1.11kg/m3，风切变指数为0.09。

　　推算该风场65m轮毂高度处年平均风速为6.8m/s，湍流强度15m/s时特征值为0.1，50年一遇65m高10min平均最大风速为35m/s，相应50年一遇65m高极大风速51m/s。该风场适宜建大型风电场，在风机的选型上可选用适合Ⅲ类风场的低风速运行的高效能风机。

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