风能资源分析和评估.ppt
1,风能资源分析和评估,中国电力科学研究院 陈默子,2,主要内容,1.风能资源1.1 风的形成1.2 风的测量1.3 风能资源评估的参考判据 1.4 风的特性2.复杂地形对风特性的影响2.1 概述2.2 粗糙度2.3 障碍物2.4 地形信息,3.风电场风能资源分析与评估方法3.1 基本方法3.2 WindPro对象介绍3.3 风资源数据的获得3.4 风资源分布图3.5 尾流计算3.6 发电量计算3.7 风电场项目发电损失和误差,3,大气环流：风是由太阳的热辐射和地球自转的作用，在大范围内产生的气流流动。季风环流：由于海陆差异、行星风带的季节转化及地形特征引起的，盛行风向（气压系统）有明显的季节变化。局地环流：由于地球上局地因子的影响，区域性的气流也可以改变全球气流的状况，从而产生局地性的气流流动。,1.风能资源,1.1 风的形成,4,大气环流：气压梯度力地球绕太阳转，地球表面受热不均，增热程度随纬度增高而降低，温差引起大气层空气压力不均衡。北半球空气向北流动。地球自转偏向力北半球，气流向右（向东）偏转；地球偏向力在赤道为零，随着纬度的增高而增大，在极地达到最大。,1.风能资源,1.1 风的形成,5,1.风能资源,大气环流：大气环流在地球自转偏向力的作用下,形成三圈环流 环流圈伸曲高度：赤道最高，中纬度次之，极地最低 赤道纬度30N环流圈纬度3060N环流圈 纬度6090N环流圈,1.1 风的形成,6,季风环流海陆分布的作用：海洋热容量远大于陆地 冬季：陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋；气压梯度力：大陆-海洋，西北风；夏季：陆地比海洋热，陆地气压低于海洋；气压梯度力：海洋-大陆。地球上5个风带，南北半球对称，北半球3个风带；夏季均向北移动、冬季则向南移动；冬季西风带的南缘地带在夏季可以变成东风带。地形特征引起 典型：青藏高原，冬夏温度相对周围地区变化大。,1.风能资源,1.1 风的形成,7,局地环流海陆风：由大陆与海洋温差转变引起海岸附近以一日为周期的海陆风，形成原因与季风相同，但以日为周期，范围小，势力弱。山谷风：山地附近山坡与周围空气受热不同形成白天，山坡接受太阳光热多，被加热的暖空气不断上升，而谷底上空相对较冷的空气则下沉补充，形成山谷风环流。晚间山坡降温快，于是又形成了相反的环流。,1.风能资源,1.1 风的形成,8,1.风能资源,测量位置测量位置的代表性 所选测量位置的风况应基本代表该风场的风况；测量位置附近应无高大建筑物、树木等：与单个 障碍物距离应大于障碍物高度的3倍；与成排 障碍物距离应大于障碍物高度的10倍以上；测量位置应在风场主风向的上风向；测量位置数量，依地形复杂程度而定。,1.2 风的测量,9,1.风能资源,测量参数风速测量 10min平均风速，用于风能资源计算；小时平均风速，通过10min平均风速获得；极大风速,3秒采样一次的最大值，用于安全计算风向测量 与风速同步采集 16个扇区气温 每小时采样一次并纪录大气压 每小时采样一次并纪录,1.2 风的测量,10,1.风能资源,风玫瑰图 表示各种风向出现的频率,1.2 风的测量,11,1.风能资源,风玫瑰图,1.2 风的测量,12,1.风能资源,测量仪器测风仪：风速传感器风向传感器数据采集器（保存不低于3个月，低温）大气温度计大气压力计测量仪器应经过校准,1.2 风的测量,13,1.风能资源,测量设备的安装测风塔结构和基础，应能承受30年一遇最大风力冲击表面应防盐雾腐蚀,1.2 风的测量,14,1.风能资源,IEC61400-12 安装要求,1.2 风的测量,15,1.风能资源,风功率密度，蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风场的综合指标风向频率及风能密度方向分布风速的日变化和年变化湍流强度 0.10较小,0.100.25中等,0.25过大。极大风速（每3s采样一次的最大的风速值）低气温（气温低于-30）其他，雷电、电线结冰、沙暴、盐雾,1.3 风能资源评估的参考判据,16,1.风能资源,平均风功率密度和有效风功率密度平均风功率密度：设定时段内的逐小时风功率密度的平均值,1.3 风能资源评估的参考判据,第i次记录的风速(m/s),空气密度(kg/m3),有效风功率密度：风速只计切入风速到切除风速之间的,17,风功率密度等级表,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；2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面大气压及风速频率符合 瑞利分布推算。,18,1.风能资源,湍流强度（风速标准偏差）计算,1.3 风能资源评估的参考判据,10min风速标准偏差10min的平均风速 m/s 10min内每一秒的采样值,19,1.风能资源,风速的垂直梯度：风速随高度变化 风廓线（wind profile）风速的频率分布,1.4 风的特性,20,1.风能资源,风速随高度变化 造成风速的垂直变化的原因动力因素地面的摩擦效应，地面的粗糙度；热力因素近地层大气垂直稳定度的关系；当大气层结为中性时，其主要作用的是动力因素.经验公式：,1.4 风的特性,为高度h上的风速 卡曼系数，0.4左右摩擦速度地面剪切应力粗糙度参数,21,1.风能资源,两个高度风速的关系：,1.4 风的特性,地表粗糙度指数，通过在不同高度上测风求得,当地面粗糙度未知时,可指数公式确定：,值变化从1/151/4，最常用的是1/7，即=0.142,22,1.风能资源,不同地形的粗糙度长度和粗糙度指数,1.4 风的特性,23,1.风能资源,风速随高度变化系数,1.4 风的特性,24,1.风能资源,风频率分布 通常用风速的频率分布函数f(v)来表示，模型通常使用最多的是韦布尔分布,1.4 风的特性,A 为尺度参数K 为形状参数K=2时，称为瑞利分布,25,1.风能资源,1.4 风的特性,26,2.复杂地形对风特性的影响,平坦地形应符合下列条件(Frost 和 Nowak):在风电场四周11.5km直径范围内任一点，风电场与周围地形的高差不大于60m在风电场上风向4km和下风向0.8km内的山丘，其高宽比不大于1/50在上风向4km范围内，风机叶片下端离地的高度大于3倍最大高差h,2.1 概述,27,2.复杂地形对风特性的影响,2.1 概述,平坦地形应符合的条件,28,2.复杂地形对风特性的影响,不规则地形会改变风的流态 风剪切风速随高度增加而增加，是表面粗糙度的函数 湍流叶片的尾流效应大气边界层厚度(离地面近1000m的高度)，认为气流是自由的、不受干扰,2.1 概述,29,2.复杂地形对风特性的影响,应拥有的信息测风数据地形信息（等高线）粗糙度信息障碍物信息风电机组功率曲线 地形的表示用1:25000 或1:50000的数字地图分12个扇区包含上述信息,2.1 概述,30,2.复杂地形对风特性的影响,粗糙度等级的概念粗糙度描述一个区域的地表特征，用粗糙度等级或粗糙度长度来表示用粗糙度线(roughness line)包围一个区域粗糙度线不能交叉。一般风场需在约1020km的半径范围内定义粗糙度，取决于轮毂高度和地形条件。,2.2 粗糙度(roughness),31,2.复杂地形对风特性的影响,3km处粗糙度对风机出力的影响,2.2 粗糙度(roughness),32,2.复杂地形对风特性的影响,2.2 粗糙度 粗糙度和地表特征的对应关系,33,2.复杂地形对风特性的影响,2.2 粗糙度 防风林带高度对粗糙度等级的影响,34,2.复杂地形对风特性的影响,2.2 粗糙度 粗糙度长度和粗糙度等级的关系,35,2.复杂地形对风特性的影响,2.3 障碍物 风速遇障碍物损失的百分数,36,2.复杂地形对风特性的影响,2.3 障碍物(Block),靠近实体障碍物的气流形成湍流的范围,37,2.复杂地形对风特性的影响,2.3 障碍物,靠近防风林带的气流形成的湍流，与通透度有关,38,2.复杂地形对风特性的影响,防风林带形态与通透度的关系,2.3 障碍物,障碍物表示 WAsP把每一个障碍物看作一个长方体，定义在地图上的位置、尺寸及通透率,39,2.复杂地形对风特性的影响,2.3 障碍物,障碍物与粗糙度区分,以下情况作为粗糙度来考虑，否则作为障碍物处理：设障碍物高度为h，如果（风机轮毂高度叶片半径）3h,且 风机距障碍物的距离 50h或风机轮毂高度 h,且风机距障碍物的距离 1000m,40,2.复杂地形对风特性的影响,用等高线（height contour line)需定义约510km半径范围 由于气流通过山地时被压缩，风速增加,2.4 地形信息（orography）,41,2.复杂地形对风特性的影响,气流通过山地，位于小山丘上的WTG出力的增加与山丘顶部圆的半径的关系,2.4 地形信息,2.4 地形信息（orography）,42,2.复杂地形对风特性的影响,2.4 地形信息,2.4 地形信息（orography）,WAsP极坐标计算，原点处计算精度高；,43,2.复杂地形对风特性的影响,RIXRuggedness IndexRiso 的概念，陡度系数20%以内WAsP有效,2.4 地形信息,2.4 地形信息（orography）,44,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.1 基本方法,估计/计算风电场出力基本上有2种不同的方法基于当地风测量（12 个扇区）的气象数据和Weibull分布。借助于计算机模型，如风图谱（Wind Atlas）或计算机辅助设计工具，指下图Lib文件要求有数字地形描述：区域风统计值 当地等高线 粗糙度 障碍物,45,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.1 基本方法,WAsP两条主线：1.4个输入，得到风图谱(Wind Atlas).给出标准状况下风的概率分布,一般为Weibull分布。2.以所得到的风图谱为基础，加上4个输入，计算出风机在该点的理论年发电量;可求出一定范围内风机的最佳放置点。,46,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.1 基本方法,47,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.2 WindPro对象介绍,48,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.2 WindPro对象介绍,计算结果可以存为WAsP LIB文件也可以存为 WindPRO wind statistic 文件,49,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.2 WindPro对象介绍,Site Data 对象：Atlas和WAsP的接口 和 Resources的接口,根据应用，site对象可以使用不同的颜色，如:黑用于 Atlas，蓝用于WAsP，淡蓝用于Atlas&WAsP，黄用于STATGEN，绿用于RESGEN,50,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.2 WindPro对象介绍,Area对象，用于：粗糙度区域（用roughness line 围起）Wind ResourcesSteepness region line 对象,用于等高线和粗糙度线 result 对象，在屏幕上表示Wind Resource Map,51,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.3 风资源数据的获得,MCP(Measure Correlate Predict)测量的短期数据(site)1-1.5年，风速、风向短期数据(reference站)，与site的短期数据同时间的，风速、风向、温差长期数据(reference站)10-20年，风速、风向、温差模型：把数据校正到现场(site)的长期期望值reference站数据(NCAR,WorldWindAtlas，),52,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.3 风资源数据的获得 MCP,53,应用条件：site的短期数据要与reference站的参考站数据相关性较好。相关含义：找出site数据和reference站数据是否表示同样的风状况(wing climate)质量控制长期的增减趋势测风位置变动 测风仪器更换,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.3 风资源数据的获得,54,3.风电场风能资源分析与评估方法,检查小尺度的风速和风向变化是否匹配,3.3 风资源数据的获得,55,3.风电场风能资源分析与评估方法,检查大尺度的风速和风向变化是否匹配,3.3 风资源数据的获得,56,3.风电场风能资源分析与评估方法,风速的线性关系分析,3.3 风资源数据的获得,57,3.风电场风能资源分析与评估方法,风向变化分析,3.3 风资源数据的获得,58,输入：数字化的粗糙度图 a digital roughness map 地形信息 Digitized Height Contour Lines 障碍物数据 Local Obstacles区域的风的统计数据 Wind Statistics 输出：.rsf文件格式的Wind Resource Map 风资源分布图 用来计算park作为WindSim 的输入,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.4 风资源分布图,59,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.4 风资源分布图,Global wind field,60,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.4 风资源分布图,Statistical Wind Field Model,450个气象，气象站之间内插，考虑了等高线,61,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.4 风资源分布图,Mesoscale flow models,62,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.4 风资源分布图,63,3.风电场风能资源分析与评估方法,流体模型的网格结构中尺度流体模型 WAsP,等格网状 极坐标，对特定点计算，一点精度高，但其它点差,3.4 风资源分布图,64,3.风电场风能资源分析与评估方法,影响尾流的参数风速几何参数叶片直径hub高度距离空气动力学性质推力系数 Ct湍流尾流衰减常数k粗糙度湍流模型复盖Coverage扇区的频度,3.5 尾流计算,65,尾流计算模型 N.O.Iesen,RISO,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.5 尾流计算,v 距叶片后x距离的风速 u 叶片上风向的风速 R 叶片半径 尾流衰减常数(wake decay constant),66,3.风电场风能资源分析与评估方法,尾流计算模型,3.5 尾流计算,67,3.风电场风能资源分析与评估方法,尾流衰减常数取决于湍流，因此就取决于粗糙度,3.5 尾流计算,68,3.风电场风能资源分析与评估方法,尾流衰减常数,3.5 尾流计算,粗糙度,69,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.6 发电量计算,70,3.风电场风能资源分析与评估方法,风电场项目1典型发电损失,3.7 风电场项目发电损失和误差,71,3.风电场风能资源分析与评估方法,3.7 风电场项目发电损失和误差,风电场项目2典型发电损失误差,72,谢 谢,
