第三章 风资源评估

华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》1风力机空气动力学第三部分：风资源的评估华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》2§3：风场中的空气动力问题风资源评估世界能源委员会(WorldEnergyCouncil)将风资源评估分为五类：气象测量储存量（Meteorologicalpotential），它等价于可用风能资源；地域风能储量(Sitepotential），它是在前者的基础上，限定了地形的因素；技术可开发风能储量（Technicalpotential）；经济可用风能储量（Economicpotential），是经济可用的技术可开发量；可实现的风能储（Implementpotential），考虑风力机在一定时间内能捕获的风能资源。最常评估的是前三种。华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》3§1：大气边界层内风特性§1－4：平均风特性风资源评估我国气象局根据《全国风能资源评价技术规定》和国家发展改革委印发的《全国大型风电场建设前期工作大纲》（发改办能源[2003]1287号）初步探明我国陆上距地面10米高度：全国风能资源总储量42.65亿KW，技术可开发量2.98亿KW，面积约20万平方公里；潜在技术可开发量为0.78亿KW.华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》4§3：风场中的空气动力问题风电场选址风电场选址包括宏观选址和微观选址宏观选址从一个较大的地区（从几十平方公里到几十万平方公里的范围），对气象条件（风能资源）、并网条件、经济条件、地理条件、地形条件、环境影响等方面进行综合考察后，选择一个风能资源丰富、而且最有利用价值的小区域（通常小于十平方公里）微观选址在宏观选址中选定的小区域中确定如何布置风力机，使整个风电场具有较好的经济效益一般，风电场选址需要两年时间，国内外的经验教训表明，由于风电场选址的失误造成发电量损失和增加维修费用将远远大于对场址进行详细调查的费用。因此，风电场选址对于风电场的建设是至关重要的。华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》5§3：风场中的空气动力问题宏观选址原则根据风能资源调查与分布的结果，选择最有利的场址，以求增大风力机组的出力，提高供电的经济性、稳定性和可靠性；最大限度地减少各种因素对风能利用、风力发电机组使用寿命和安全的影响；全方位考虑场址所在地对电力的需求及交通、电网、土地使用和环境等因素气象条件风能资源丰富区：10m高度处的年平均风速在6m/s以上，风功率密度大于200W/m2的地区风向比较稳定的地区风能日变化和年变化较小的地区气候灾害（包括台风、风暴、积冰、风沙、盐雾、雷电、冰雹等）较少的地区并网条件风电场场址要邻近主电网，便于并入主电网，使风电场投资中的线路投资较少，从而降低风电成本华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》6§3：风场中的空气动力问题经济条件该地区的经济发展状况与对电力需求的程度地理条件风电场的地理位置、海拔高度以及交通运输等基础设施条件等状况，它们将直接影响风力发电机组的运输、安装和调试等地形条件地形条件是指风电场场址的地形、地貌以及地面障碍物等。风电场场址最好选在“平坦地形”，即在4km~6km半径范围内，场址周围地形的高度差小于50m；并且地形高长比小于0.03（即3%坡度）。另外，还要考虑建筑物和防护林带等地面障碍物对其附近气流的扰动作用环境影响评估有利方面：风电场对减轻环境污染、改善当地能源结构以及保护生态环境等方面所产生的社会效益和环境效益不利方面：影响附近地区的景观，对鸟类及其它动物生活的干扰，以及风力发电机组所产生的噪声污染和电磁干扰影响等华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》7§3：风场中的空气动力问题风功率密度理解“风能”，需要很好地理解“功”，“功率”和“能量”力×距离功；当力使物体移动了一定的距离，就对该物体做了功力×速度功率；功率是做功的比率，即、由施加在物体上的力与物体运动的速度之乘积。得到为该物体作用的功率.风力机的机械功率是通过风绕流叶片时所产生的空气动力（力矩）驱动风力机轴所产生的，即力矩×转速。功率×时间能量机械能可以是势能或动能一个举起的物体具有势能；由于物体的高度和运动速度，释放后势能变成动能，并随速度的平方增加。华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》8§3：风场中的空气动力问题运动着的风具有动能风速的平方当风吹向一个物体是，速度会减小（动能减小），而（静）压力会提高（势能提高）。导致可驱动物体运动的作用力与动能成比例由于功率力×速度，所以，风的功率与速度的三次方成比例风功率：P＝0.5*r*A*V3A面积、r空气密度、V风速这是风所具有的能量。而风力机最大可能吸收的风能仅为其的16/27=0.59259(贝茨极限）如果把风所具有的能量全都吸收了，会发生什么？华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》9§1：大气边界层内风特性§1－4：平均风特性风功率密度:单位面积上的风功率设空气流动质量流量为dm/dt，密度为ρ，风速（假定为均匀风速）为U，风轮面积为A，根据连续方程有（dm/dt）=ρAU单位时间的动能，即功率可表示为P=（1/2）（dm/dt）U2=（1/2）ρAU3单位面积上的功率P/A，即风功率密度表示为P/A=（1/2）ρU3注意：»风功率密度与空气密度成正比。在标准情况下，空气密度为1.225kg/m3»风功率与风轮扫过的面积成正比（传统的水平轴风力机的风轮直径的平方）»风功率密度与风速的立方成正比»风力机的输出功率还要考虑到空气动力学问题以及风轮和发电机的联合效率的影响。实际上，水平轴风力机最大可能利用风能约为45%。华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》10§1：大气边界层内风特性§1－4：平均风特性如果某地区的年平均风速是已知的，可以知道年风功率密度。更准确一点，已知一年内每小时的平均速度Ui，得到以小时平均的年平均风功率密度——年平均风速Ke——能量形式因子，N——年小时数，8760。eKUAP321/rUNiieUUNK1331华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》11§3：风力机空气动力学§3－10：风电场中的空气动力问题各稳定风速下的风功率密度（空气密度=1.225kg/m3）风速（m/s）风功率密度（W/m2）风资源评价00贫乏580贫乏~5.5~100贫乏5.5~8.7100~400丰富10610丰富10.5~700~很丰富152070很丰富204900很丰富259560很丰富3016550很丰富华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》12中国风功率密度分布(中国气象局第三次普查结果)华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》13§3：风场中的空气动力问题微观选址现场测风在微观选址时，仅有气象资料提供的风速、风向数据是不够的，一般要在装机地点用测风塔进行1年的现场测风，测量风向、风速、温度、湍流度等。风力机布局在风电场中，风力发电机组的排布是风电场微观选址的核心。排布方式的好坏将直接影响风电场的容量系数，即影响实际发电量的多少。最佳的风力发电机组排列方式，取决于风速历程、风向历程、不同风向下的风速值、地形地貌、风力机尾流效应、风力机特性以及塔架高度等。风电场场址评估风电场场址评估决定于风电场场址的风资源、投资规模、贷款利息、风力机性能及电网负荷等因素。评估时要根据上述因素计算风电成本，并与当地常规电力成本比较，得出评估结论。如果风电成本与当地常规电力成本比较，考虑到社会效益和环境效益，风电成本略高于当地常规电力成本，则认为风电场场址的选择是合理的。风电场工艺布置在风电场微观选址后，要对风电场进行总体规划，绘制风电场工艺布置图华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》14§3：风场中的空气动力问题风的测量为进行精确的风力发电机组微观选址，现场所安装的测风塔的数量一般不能少于2座，若条件许可，对于地形复杂区应该为4-8座.测风塔应该尽量安装在最能代表并反映风电场风能资源的位置.测风应该在空旷地进行，尽量远离高大树木和建筑物，在选择位置时要充分考虑地形和障碍物的影响.如果测风塔必须安装在障碍物附近，则在盛行风的下风向与障碍物的水平距离应不少于该障碍物高度的10倍处安装如果测风塔必须设立在树木密集的地方，则至少高出树木顶端10米每个风电场场址只需按一套气压和温度传感器，其塔上安装高度为2-3米华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》15§3：风场中的空气动力问题华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》16§3：风场中的空气动力问题风力机尾流效应风力机吸收了能量和风力机本身对气流的扰动，在下游形成尾流区尾流区内的速度要经历衰减和恢复的过程；尾流区会影响风力机的功率输出和结构疲劳尾流模型尾流模型是描述风力机尾流结构的数学模型，用于计算风力机尾流区的速度分布和风电场中处在尾流区的风力机的功率输出目前使用的尾流模型有半经验的尾流模型和用数值计算方法建立的尾流模型，数值计算方法是通过求解N-S方程得到的主要介绍几种半经验的尾流模型无粘近场尾流模型简化尾流模型半经验尾流模型AV尾流模型华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》17§3：风场中的空气动力问题无粘近场尾流模型假设在风力机近场尾流区的流动是无粘旋转的流动，根据毕奥-萨伐定律可得到风力机尾流旋转轴上的无量纲轴向速度的表达式为式中Vc——尾流旋转轴上的轴向速度；V——来流速度；x'=x/D，x为风轮下游某点到风轮平面的轴向距离，D为风轮直径；a——风轮轴向速度诱导因子。无粘近场尾流模型只能近似用于描述时的风力机尾流区速度分布cv2110.25ccVvaxxV华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》18§3：风场中的空气动力问题简化尾流模型根据轴对称物体尾流理论建立的一种远场尾流模型，其无量纲尾流半径可表示为式中r——尾流半径；D——风轮直径；——参数，在低湍流度下，一般取0.18；——参数，=0.4860CT，CT为风轮轴向力（推力）系数。无量纲尾流旋转轴上的速度损失v‘c可表示为无量纲尾流横向剖面上的相对速度损失v‘d可表示为式中,y为横向某点距风轮旋转轴的距离。r313xDrr132320.3780ccTVVvCxVr2230.1cdvvrDy华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》19§3：风场中的空气动力问题半经验尾流模型是丹麦国家实验室RISØ发展的一种尾流模型，它主要用于计算风电场中处在尾流区的风力机的功率输出假设»尾流初始直径为风轮直径»尾流增长速率呈线性关系»尾流横向剖面上的速度是均匀的半经验尾流模型华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》20§3：风场中的空气动力问题根据动量定理可得到风力机尾流区无量纲轴向速度的表达式为式中Vc——尾流区轴向速度；V——来流速度；x——风轮下游某点到风轮平面的轴向距离；D——风轮直径；k——尾流衰减系数,可根据风场试验结果确定；»当两台风力机串列布置时，上游风力机的尾流衰减系数k取0.075；下游风力机的尾流衰减系数k取0.11a——风轮轴向速度诱导因子，即尾流初始速度损失系数。»cv211212ccVvaVkxD2111TrCVVa221111ccTVkxvCDV华北电力大学风能专业工程硕士课程《风力机空气动力学》21§3：风场中的空气动力问题AV尾流模型是在Abramovich射流理论基础上发展的一种全场尾流模型它将风力机尾流区分成四个区域，在