文章编号:02540096(2007)03024804风电场风能资源评价两个新参数收稿日期:20050803中国气象科学研究院,北京100081)利用风速频率瑞利分布对平均风速进行均一化,提出相当风速的概念;通过对风功率密度进行分析,考虑到风机工作风速区间,提出有功风功率密度概念。为准确评价潜在风电场风能资源状况提供了两个指示性很强的指标。关键词:风能资源评价;相当风速;有功风功率密度中图分类号:TM614过去10我国风电装机以年均55%的高速增到2003年底,全国风电总装机567万kW。要实现我国风力发电的进一步发展,首先必须掌握我国风能资源状况,而准确的风能资源评价是开展这方面工作的基础。衡量一地风能资源状况的指标主要有:平均风速、平均风功率密度、有效风功率密度、风向、风能玫瑰图等。考虑到空气密度、风速频率分布是影响风能大小的两个重要因子,本文提出相当风速、有功风功率密度两个概念,为准确进行风能资源评价提供了两个更恰当的评价指标。风速概率分布及平均风功率密度关于风速分布,国外有过不少研Joseph,Patal,1977;Justus,1978;LVanderAuweraatal,1980)我们国家也有类似的探讨。
一般认为,风速分布服从正偏态分布,风力愈大的地区,分布曲线愈平缓,峰值降低右移。通常用来拟合风速分布的线型有:瑞利(Rayleigh)分布、对数正态分布、分布、双参数威布尔(Weibull)分布、三参数数威布尔(Weibull)分布、皮尔逊曲线簇等。其中威布尔(Weibull)双参数曲线簇被普遍认为是适于对风速作统计描述的概率密度函数。一般地,存在一个平均风速为Vre的实测风速序该风速序列服从双参数威布尔(Weibull)分布,所反映的测点平均风功率密度平均空气密度;风速威布尔(Weibull)分布的形状因子;尺度因子。同时,威布尔(Weibull)分布的数学期望时说明某一地区的风速概率分布服从瑞利(Rayleigh)分布,ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol28,2007得到:式给出了一个利用年平均风速估算平均风功率密度的近似计算式。更准确的,可以利用风速序列直接计算平均风功率密度:1Vre,相当风速概念的提出通常情况下,用来评价一地风能资源状况的参数包括:平均风速、平均风功率密度、有效风功率密度、有效小时数等等。在这些指标中,人们往往习惯简单使用平均风速的大小来作为直观的衡量指标。
但是由于空气密度及风速分布曲线的不同,在相同的平均风速条件下,风能的大小可以有很大差异。为了解决这一问题风速威布尔分布,本文提出一个新的概念当风速风速威布尔分布,定义为:对于某一平均风速为Vre实测的风速序列,假设存在一个标准大气下的(空气密度0=1225kgm平均风速为Ve的风速序列Vi该序列服从瑞利(Rayleigh)分布,并且具有与该实测序列相同的能量,则根据(存在如下关系:0955!0!V同样,如果利用风速序列直接计算平均风功率密度,则利用式(相当风速也可利用下面的公式计算:10)综上所述,相当风速的概念可为利用风速值的大小直接进行风电场(潜在风电场)之间的风能资源丰欠比较提供一个具有可比较性的直观的评判指标。该指标充分考虑了风速的概率分布、空气密度对风能大小的影响,在某种意义上来说,相当风速是一个具有能量概念,但同时又具有风速量纲的参量。有效风功率密度为了衡量一个地方风能的大小,评价一个地区的风能潜力,风能密度是直接反映风能丰欠的指标量。风能密度表述气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。由于风速是一个随机性很大的量,通常用平均风能密度和有效风能密度来评价一地的风能潜力。作为一种能量再转换装置,不同型号风力机都具有各自的启动风速%、切出风速%,只有处于动风速%和切出风速%之间的风速区间的能量能被风力机部分地转换为电能,所以常常将启动风速%切出风速%之间的风力称为有效风力%,在这一范围内的风力所具有的风能称为有效风能%。
在以前的研究中,通常将有效风力范围内的风能平均密度定义为有效风能密度:We=11)这里We有效风速范围内的条件概率分布密度函数。由于这里的概率分布取条件概率,此不能仅仅用有效风能密度来衡量某一地区的风能资源大小,还必须与有效小时数相结合使用。也就有效风能密度大的地区,不一定就是风能资源丰富的地区;只有有效风能密度大,同时有效小时数也比较大的地区,才可以说是风能资源丰富地区。因此,有效风能密度并不是一个独立的概念,必须与有效小时数配合使用,并且在某种程度上容易造成理解上的概念混淆。风电场风能资源评价两个新参数249有功风功率密度概念的提出鉴于本文提出一个有功风功率密度的概念,定义为有效风力范围内的风力在整个统计(观测)时段内所贡献的风功率密度,12)其中,Pe风速概率分布密度函数。由于有功风功率密度定义中,的取值为风速概率分布密度函,代替了(11)的有效风速范围内的条件概率分布密度函数,因此,有功风功率密度值的大小就直接反应了处于有效风力范围内的风速对平均风能密度的直接贡献,亦即可以被风力机直接利用风能密度的大小。所以可以有功风功率密度大的地区,风能资源一定丰富。相当风速、有功风功率密度的应用在介绍了相当风速、有功风功率密度的概念后,下面就收集到的一些实测风速资料、测点年平均空气密度(根据临近气象台站多年观测资料计算得到)等资料为例,分析有效风能密度、有功风功率密度在风能资源评价中的应用。
为根据实测风速序列计算得到相当风速、有功风功率密度。1相当风速、有功风功率密度示例表Tablecalculationexamplesequivalentwindspeedavailablewindpowerdensity空气密度kg!m-平均风功率密度有效风功率密度有功风功率密度5655321891878辽宁测点22553220761694黑龙江测点2638857835863102ms87586047762由上表可看出,南海某测点实测年平均风速为578ms,由于其年平均空气密度为1197kgm速威布尔(Weibull)分布形状因子为235、计算得到的相当风速为556ms(或者553ms)因此该测点实测风速序列所具有的风能与年平均风速556ms、年平均空气密度为1225kgm的风速序列具有相当能量。因此相当风速概念的引入,由于同时考虑了空气密度、风速概率分布对风能资源大小的影响,使得利用风速的大小来进行不同地点的风能资源状况比较成为可能,相当风速大的测点,能资源丰富;相当风速小的测点,风能资源相对较贫另一方面,利用单一的有效风能密度的大小,难判断测点所在位置风能资源的丰富多寡,必须结 合有效小时数来综合判断。
而有功风功率密度的大 直接反应了该测点风所具有的能量可以用来转换电能的部分密度大小, 有功风功率密度越大的测 通过对平均风速、平均风速概率分布、平均风能密度、有效风能密度的讨论, 引入相当风速及有功风 功能密度的概念。这两个参数, 可以显著地反映可 能被风力机转换为电能的空气运动具有的动能, 是两个更具有指示意义的量值指标。在将来的应用中, 可以用来作为风能资源评估、区划的指标。 同时, 也可以将这两个指标作为确定参考电价的重 要因子, 给出在固定的设备投资条件下, 不同资源状 况对应的参考电价。 北京:气象出版社, 1988. 85 88. XueHeng, Zhu Ruizhao, Yang Zhenbin, et al. Assessment windenergy reserves ActaEnergiae Solaris Sinica, 2001, 22( 167170. 250 (大气科学辞典)编委会. 大气科学词典[ 象出版社,1994, 362 363.TWO NEW CONCEPTS WINDENERGY ASSESSMENT WINDFARM EquivalentWind Speed, Available Wind Power Density Yang Zhenbin, Zhu Ruizhao, Xue Heng ChineseAcademy MeteorologicalSciences Beijing 100081, China) Abstract:Mean wind speed windpower density usuallyused windresource assessment. Standardized windspeed Rayleighfrequency distribution, conceptnamed equivalent wind speed presented;Taken cutoffwind speed windturbine conceptnamed active wind power density twovari ables play vitalrole windresource assessment activity. Keywords:wind energy assessment; equivalent wind speed; Available Wind Power Density 联系人 Email: yangzb@ cams. cma. gov. cn 风电场风能资源评价两个新参数251
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