数据处理与报告优化方案

风能资源评估是指对验证完成的数据经过各种数据处理程序的处理来评估风能资源的活动。对数据集进行典型操作时将数据的数值按照所选择的平均时间间隔分类形成有用的数据集，从而生成所需信息的报告，如汇总表和风况参数图等。数据处理和汇总软件可以从多种来源获得，包括数据采集器的制造商以及电子表格、数据库和统计软件的销售商等。

每小时的平均值一般用于编制报告。利用数据处理和报告编制软件可以将10min平均数据子集转换为每小时平均的数据库，无论使用何种方法计算每小时平均值时，都必须剔除无效数据值或-900系列代码。

基本参数组可以作为确定和描述各种有用的风特性的工具。表2-7列出推荐的每月数据汇总报告。

表2-7 月度数据报告

将订正后的数据处理成评估风电场风能资源所需的各种参数并绘制成图形，包括不同时段的平均风速和风功率密度、风速和风能的频率分布、风速和风能密度的方向分布等，除了完全可编程数据采集器，其他大部分数据采集器没有对风切变指数、湍流强度及风功率密度的内部处理功能。通过应用电子表格软件，可以很容易获得这些参数每小时和每月的平均值。以下将介绍各主要参数及其计算方法。

1.垂直风切变指数

风切变是指水平风速随高度的变化。通常用于描述风速线形状的幂定律指数为风切变指数，是用来衡量风速随高度变化的一个指标。风切变指数α只能由各个现场确定，因为它的大小受场址特定的条件影响，1/7幂律（用于最初的场址筛选，α取0.143作为近似值）不再适用，实际的切变值发生很大的变化。下面给出计算α的公式：

式中，v₂为高度z₂的风速（m/s）；v₁为高度z₁的风速（m/s）。

估算风电机组的发电量时，需要推算出机组轮毂高度处的风速，根据风切变指数和仪表安装高度实测风速值可以推算出近地层任意高度的风速。

例如，某风电场切变结果见表2-8。经曲线拟合得出，风电场切变指数为0.137。塔高70m处的年平均风速是塔高10m处的1.25倍。

表2-8 测风塔切变值统计表

2.湍流与湍流强度

当风吹过极其粗糙的地面或绕过建筑物时，风速的大小和方向都会发生较大的变化，这种变化叫湍流。风的湍流是风速、风向和垂直分量的快速扰动和不规则变化。这是非常重要的现场特征，因为高的湍流将引起风电机组输出功率下降以及部件严重超载，使整个风电机组发生机械振动。当湍流严重时，机械振动能破坏风电机组。对于选址来说，最普通的湍流指标是风速的标准偏差（σ）。将这个值用平均风速来标准化后给出湍流强度（TI），这个值用来整体评估风电场的湍流。TI定义为10min内标准风速偏差与平均风速的比值，即

式中，σ为风速的标准偏差；v为平均风速。湍流强度是风电场的重要指标，它的计算、分析是风电场风能资源评估的重要内容，其结果直接影响风电机组的选型。TI是一个湍流的相对指标，小于等于0.10时较低，0.10～0.25之间中等，大于0.25时较高。对风电场而言，其值不可超过0.25。

3.风功率密度

风功率密度（WPD）是比风速更真实地反映风电场潜在风能资源的综合指标。风功率密度综合了风电场风速频率分布、空气密度和风速的影响。WPD（W/m²）定义为每单位风轮叶片扫掠面积可获得的风功率，公式如下：

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式中，n为平均时段内的记录数目；ρ为空气密度（kg/m³）；v³_i为第i个风速（m/s）值的三次方。

WPD公式中的空气密度必须计算。空气密度取决于温度和大气压（海拔），并随季节在10%～15%间变化。如果知道现场大气压（例如作为可选择参数测量），则相应温度下的每小时空气密度值ρ（kg/m²）可以通过以下公式来计算：

式中，p为大气压（Pa或N/m²）；R为特定的空气常数[287J/（kg·K）]；T为开氏温度（℃+273）。

如果不知道现场大气压，空气密度可以利用海拔（z）和温度（T）的函数关系估算：

式中，p₀为标准海平面大气压（101325Pa）或当地风电场调整到实际海平面的压力读数；g为重力加速度常数（9.8m/s²）；z为现场海拔（m）。

代入p₀、R和g值，得

这个空气密度公式可以代入WPD公式而得出每小时平均值。

通过上面对风功率密度的推导，我们能更好地理解风功率密度等级，见表2-9。风功率密度越高，则该地区风能资源越好，风能利用率也越高。因此，风功率密度表可作为风能资源评估的判据。应注意表2-9中风速参考值依据的标准条件（见表2-9的注释）与风电场实际条件的差别。

表2-9 风功率密度等级表

（续）

注：1.不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为1/7推算的。

2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面标准大气压及风速频率符合瑞利分布的情况推算。

4.最大风速和极大风速

最大风速是指10min平均风速的最大值。我国福建沿海的最大风速可达20m/s以上。

极大风速是指每3s采样一次的风速的最大值。据气象资料记载，我国福州、厦门曾出现40.7m/s和60.0m/s的风速。