风能资源评价技术探讨

针对风电场的建设与运行需求，在分析某地的风能状况时，需对采集的风数据进行分析和解释。离计划开发区域较近的气象站数据可以用来做初步分析，获得风况概貌。初步分析后，还要在场址上实地测风，通常为期一年。

（1）平均风速。平均风速是反映风能资源的重要参数，一般分为月平均风速和年平均风速：

式中　vi——风速；

n——测量数据的个数。

（2）风频分布。风频分布表示一段时间内不同风速出现的概率，一般用风速频率来表示。某地一年内发生同一风速的样本数与总体样本数的比，即为该风速的频率。

当风速超过规定的最高允许值时，风力发电机组有损坏的危险，风力发电机组将立即停转，这个停机风速称为“切出风速”。风力发电机组还有一个能够启动的最低风速，称为“切入风速”。在风电场建设区域风能资源评估中，通常较为关注“切入风速”与“切出风速”间各段风速区间的频率分布特点，作为评估的基本依据。

（3）风玫瑰图。任意地点的风向、风速及其持续时间都是变化的。为了更为直观地刻画这一变化，可采用风玫瑰图来进行风能资源测量数据的统计。

风玫瑰图如图2-2所示，这是根据某一地区长期记录的风向、风速数值，按一定比例绘制，一般采用8个或16个方位表示。由于该图的形状似玫瑰花朵，故名“风玫瑰”。

图2-2　风玫瑰图

风玫瑰图可以表达某一方位的风所占时间百分比，由此得出主风向。上述时间百分比和该方向平均风速的乘积，为风频谱的平均强度信息。上述时间百分比乘以该方向风速的三次方，则得到各个方向上的风能。

（4）湍流强度。当风通过粗糙的地表及障碍物时，风速和风向会迅速地变化，这一现象是由湍流造成的，气流越过障碍物如图2-3所示。湍流强度取决于障碍物的尺寸和形状。基于湍流特性，湍流区域在障碍物前可以扩展到5倍障碍物高度区域，在障碍物后侧，其影响区域为障碍物的10～15倍。在垂直方向上，湍流的影响在2～3倍障碍物高度处仍然显著。

图2-3　气流越过障碍物示意图

湍流强度描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特性的最重要特征量。

湍流强度ε定义为脉动风速均方根值与平均风速之比。

式中　u，v，w——风速三维空间分布的分量；

u′，v′，w′——相应的扰动量。

湍流强度ε≤0.1时，表示湍流较小；相对于风力发电，ε≥0.25表明湍流过大，易引起风能转化系统振动、载荷不均匀，导致风电机组输出功率减少。

（5）平均风能密度。一个区域的可利用风能资源，由该区域常年平均风能密度的大小决定。风能密度是单位面积上的风能，对风力发电机而言，风能密度是其叶轮扫过单位面积的风能，即

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式中　W——风能密度；

ρ——空气密度；

v——风速。

常年平均风能密度为：

式中　——平均风能密度；

T——总时间长度。

（6）有效风能密度。对于风力发电机组而言，可利用的风能是在“切入风速”和“切出风速”之间的有效风速范围内，这个范围内的风能叫“有效风能”，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。

式中　v1——切入风速；

v2——切出风速；

P′——有效风速范围内的风速概率密度分布函数。

（7）风速的典型随机分布。一年中，每个月的风速不只是大小不同，其分布规律也有差异。常用来描述平均风速随机性的分布主要有双参数Weibull分布、Rayleigh分布、LogNormal分布。其中，双参数Weibull分布被普遍认为适用于风速作统计描述的概率密度函数。

Weibull分布是一种单峰的、双参数的分布，其概率密度可表示为：

式中　k，c——Weibull分布的两个参数；k称作形状参数，决定分布曲线的形状，c称作尺度参数，决定平均风速分布的尺度。

不同月份风速的Weibull分布，其形状参数k和尺度参数c的差别很大，这说明不同月份风速具有不同分布规律。形状参数k的改变对分布曲线型式有很大影响。当0＜k＜1时，分布为众数为0，分布密度为x的减函数；当k=1时，分布呈指数型；当k=2时，分布为瑞利分布；当k=3.5时，分布接近正态分布。

（8）风切变。在了解某一风电场的风能资源特性时，地表0～100m的风切变特征是需要重点考虑的一项因素。如果一台风电机组的叶轮直径为68m、轮毂中心高65m，叶尖最低时和最高时的高度将相差68m，风能的铅直变化将重点关注30～100m。而不同高度的风速是不同的，作用在叶片上的力以及可利用的风能会因叶片位置的不同而有重大变化。

风速随高度的增加幅度、水平风向的垂直变化均受地面粗糙度大小和障碍物的物理特征影响。植被稠密会大大削弱近地层风的强度，平滑的地表则对风切变的影响较小。通常用粗糙度高度来表征地表的粗糙度，平坦光滑地表为0.005m，开阔草地为0.025～0.1m，中耕作物取0.2～0.3m，果园和灌木丛为0.1～0.5m，森林以及城镇中心为1～2m。上述粗糙高度的估计有利于垂直风切变的分析研究和实际计算。

（9）加速效应。加速效应是地形对气流的动力作用之一。当气流由较宽阔地带进入狭窄区域（例如穿过两侧高山或高山间的峡谷）时，由于横截面积减小，光滑的山脊会加速流经它的气流，产生加速效应，也称狭管效应，山脊上的加速效应如图2-4所示。

图2-4　山脊上的加速效应

地形自身的几何形状是影响加速效应的重要因素。当山脊坡度在6°～16°之间或山脊的凹面为迎风面时，加速效应显著；主导风向平行于山脊时，加速效应小；主导风向垂直于山脊时，加速效应大。