遼寧沿海地區(qū)風(fēng)能資源時空分布的初步分析

姜 波, 趙世明, 馬治忠, 侯平平, 徐輝奮

(1. 國家海洋技術(shù)中心, 天津 300111; 2. 國家海洋局海水淡化與綜合利用研究所, 天津 300192)

遼寧沿海地區(qū)風(fēng)能資源時空分布的初步分析

姜 波1, 趙世明1, 馬治忠1, 侯平平2, 徐輝奮1

(1. 國家海洋技術(shù)中心, 天津 300111; 2. 國家海洋局海水淡化與綜合利用研究所, 天津 300192)

利用1997～2007年遼寧省7個海洋站和2007～2008年3個臨時觀測站的實(shí)測數(shù)據(jù), 使用GIS的反距離加權(quán)插值法, 初步分析了遼寧省沿海風(fēng)能資源時空分布。結(jié)果為：遼東灣沿岸風(fēng)能資源豐富, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá)250 W/m2, 大連南部和東南沿海風(fēng)能資源次之, 年平均風(fēng)功率密度達(dá)到175 W/m2,丹東沿海和大連東北部沿海屬于風(fēng)能可開發(fā)區(qū), 年平均風(fēng)功率密度僅有 75 W/m2。遼寧沿海風(fēng)能資源春季最豐富, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá) 185W/m2, 秋季和冬季次之, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá) 158 W/m2,夏季最低, 年平均風(fēng)功率密度僅有88 W/m2。本研究初步掌握遼寧沿海的風(fēng)能資源的分布規(guī)律, 對合理開發(fā)利用遼寧海岸帶的風(fēng)能資源和海洋功能區(qū)劃修編有一定的理論依據(jù)和實(shí)用價值。

風(fēng)能資源; 有效風(fēng)時; 風(fēng)功率密度; 沿海地區(qū); GIS

太陽輻射造成地球表面大氣層受熱不均, 引起大氣壓力分布不均。在不均壓力作用下, 空氣沿水平方向運(yùn)動就形成風(fēng)[1]。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式,是一種清潔的可再生能源, 隨著化石能源等一次性能源的日趨減少, 由于其在改變能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的突出作用, 開發(fā)風(fēng)能資源越來越受到國家的高度重視。

遼寧省在風(fēng)能開發(fā)利用方面具有得天獨(dú)厚的地理區(qū)位和自然條件。遼寧位于中國東北的南部, 介于38°43′～43°26′N, 181°53′～125°46′E,海岸線長達(dá)2 110 km, 處于中國沿海風(fēng)帶上。遼寧省屬于溫帶季風(fēng)氣候, 四季分明, 年平均風(fēng)速高, 風(fēng)功率密度大,是我國風(fēng)能資源相對豐富區(qū)之一。

目前, 國內(nèi)很多學(xué)者采用不同的方法對遼寧省風(fēng)能資源狀況進(jìn)行分析, 如：利用部分氣象站資料對風(fēng)能資源儲量進(jìn)行分析[2-3], 利用 MM5數(shù)值模式對2001年4月遼寧沿海及近海海域的風(fēng)能資源進(jìn)行了數(shù)值模擬[4], 利用部分風(fēng)電場的實(shí)測風(fēng)資料, 分析了遼寧沿海地區(qū)的風(fēng)能資源特征及開發(fā)潛力[5], 利用遼寧省部分氣象站和風(fēng)電場的風(fēng)能資源數(shù)據(jù), 對全省風(fēng)能資源的時空分布進(jìn)行了分析[6]等。上述研究或者采用實(shí)測資料空間分布比較稀疏, 或者資料時間長度不夠, 近年來觀測儀器精度越來越高, 而所采用的數(shù)據(jù)均為2002年以前資料, 使得分析結(jié)果有一定片面性。遼寧沿海分屬渤海遼東灣沿岸和黃海北部沿岸, 因此, 本文分遼東灣西、北、東岸和黃海北岸4個區(qū)塊進(jìn)行分析。采用遼寧省7個海洋站和3個臨時觀測站的觀測資料, 對遼寧沿海的風(fēng)能資源狀況進(jìn)行分析研究, 初步掌握其風(fēng)能資源的分布規(guī)律, 對合理開發(fā)利用遼寧海岸帶的風(fēng)能資源和海洋功能區(qū)劃修編有一定的理論依據(jù)和實(shí)用價值。

1 風(fēng)能資料來源及研究方法

1.1 資料來源

足夠長的風(fēng)速連續(xù)自記記錄對提高風(fēng)能計(jì)算精度是有幫助的, 但過短的資源不能準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況, 一般認(rèn)為5～10 a或10 a以上的觀測資料就能比較客觀地反映該地區(qū)的真實(shí)狀況[7]。本次風(fēng)能資源評估中, 引用了遼寧省芷錨灣、葫蘆島、鲅魚圈、溫坨子、老虎灘、小長山、東港7個海洋站(1997～2007年)和王家屯、黃家圍、大圈村3個臨時站(2007～2008年)實(shí)測資料(觀測站分布見圖1), 這些資料包括：(1)各站點(diǎn)歷年日最大風(fēng)速、日極大風(fēng)速、日最高氣壓、日最低氣壓、日最高氣溫、日最低氣溫等。(2)各站點(diǎn)歷年逐時風(fēng)速、風(fēng)向; 逐日氣溫、氣壓(氣溫、氣壓資料每天4次, 分別為2∶00, 8∶00, 14∶00, 20∶00)。

因?yàn)?3個臨時站資料時間不統(tǒng)一, 且時間也比較短, 需要分析這些資料的可用性, 分別利用毗鄰的海洋站資料與臨時站的建立線形回歸模型[8], 將 4個臨時站資料遞推延長至1997～2007年資料。

圖1 觀測站位置分布圖Fig. 1 Observation sites

1.2 資料質(zhì)量控制

通過檢查風(fēng)站的原始測風(fēng)數(shù)據(jù), 對其完整性和合理性進(jìn)行判斷, 檢驗(yàn)出不合理的數(shù)據(jù)和缺測的數(shù)據(jù)及其發(fā)生的時間, 參照備用的或可供參考的同期記錄數(shù)據(jù), 對不合理數(shù)據(jù)再次進(jìn)行判別, 挑出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù), 回歸原始數(shù)據(jù)。

1.2.1 資料完整性檢驗(yàn)

計(jì)算測風(fēng)有效數(shù)據(jù)的完整率按式(1)計(jì)算[9]：

本文所引用風(fēng)站有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到 90%, 符合風(fēng)能資源評估要求。

1.2.2 資料合理性檢驗(yàn)

資料合理性檢驗(yàn)包括范圍檢驗(yàn)和趨勢檢驗(yàn)：(1)合理范圍檢驗(yàn)：0≤小時平均風(fēng)速＜40 m/s; 0°≤風(fēng)向＜360°。(2)合理變化趨勢檢驗(yàn)：每小時平均風(fēng)速變化＜6 m/s。

1.3 研究方法

目前, 通常采用的評價一個地區(qū)風(fēng)能資源開發(fā)利用潛力的主要指標(biāo)是有效風(fēng)功率密度和年有效風(fēng)時[3], 本次遼寧沿海風(fēng)能資源評估主要考慮以下幾個參數(shù)。

1.3.1 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速為給定時間內(nèi)瞬時風(fēng)速的平均值, 給定時間從幾秒到數(shù)年不等。平均風(fēng)速按下式計(jì)算[9-10]：

其中,Vi為風(fēng)速(m/s)觀測序列;n為平均風(fēng)速計(jì)算時間段內(nèi)風(fēng)速序列個數(shù)。

1.3.2 風(fēng)速頻率

以1 m/s為一個風(fēng)速區(qū)間, 統(tǒng)計(jì)代表年測風(fēng)序列中每個風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)的頻率。每個風(fēng)速區(qū)間的數(shù)字代表中間值, 如 5 m/s風(fēng)速區(qū)間為 4.6～5.5 m/s[9-10]。

1.3.3 風(fēng)向頻率

根據(jù)風(fēng)向觀測資料, 按16個方位統(tǒng)計(jì)觀測時段內(nèi)(年、月)各風(fēng)向出現(xiàn)的小時數(shù), 除以總的觀測小時數(shù)即為各風(fēng)向頻率[9]。

1.3.4 有效風(fēng)時

有效風(fēng)時即統(tǒng)計(jì)出代表年測風(fēng)序列中風(fēng)速在3～25 m/s之間的累計(jì)小時數(shù)[10]。

1.3.5 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中風(fēng)所具有的功率, 是衡量一個地區(qū)風(fēng)能大小, 評價一個地區(qū)風(fēng)能資源潛力的重要指標(biāo)。設(shè)定時段的平均風(fēng)功率密度表達(dá)式為[9]：

其中：DWP為平均風(fēng)功率密度, 單位為W/m2;n為設(shè)定時段內(nèi)的記錄數(shù);ρ為空氣密度, 單位為 kg/m3;vi為第i記錄的風(fēng)速, 單位為m/s。

平均風(fēng)功率密度DWP的計(jì)算應(yīng)是設(shè)定時段內(nèi)逐小時風(fēng)功率的平均值, 有效風(fēng)功率密度是根據(jù)有效風(fēng)速計(jì)算得到的風(fēng)功率密度。空氣密度ρ按式(4)計(jì)算：

其中,P為年平均大氣壓力, 單位為Pa;R為氣體常數(shù)(287 J/(kg·K));T為年平均空氣開氏溫標(biāo)絕對溫度。

1.3.6 風(fēng)能資源總儲量

風(fēng)能資源總儲量可按式(5)計(jì)算[10]：

其中,n為風(fēng)功率等級數(shù);Si為年平均風(fēng)功率密度分布圖中各風(fēng)功率密度等值線間面積;Pi為各風(fēng)功率密度等值線間區(qū)域的風(fēng)功率代表值。

1.3.7 威布爾(Weibull)分布參數(shù)k, c的估算

本文采用以平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估算 Weibull兩個參數(shù)[10]。

Weibull兩參數(shù)k,c按下式估計(jì)(保留2位小數(shù))：

平均風(fēng)功率密度按式(10)計(jì)算[10]：

有效風(fēng)功率密度按式(11)計(jì)算[11]：

其中,vS為切入風(fēng)速,vB為切出風(fēng)速。本文分別取3 m/s, 25 m/s。

有效風(fēng)時按式(12)計(jì)算[11]：

在計(jì)算各個地區(qū)的風(fēng)能資源時, 應(yīng)把各海洋站風(fēng)速統(tǒng)一換算到離地面10 m處的風(fēng)速[12]。可按式(13)計(jì)算：

其中,V10為10 m高度處的風(fēng)速;Vi為i高度(m)處的已知風(fēng)速;kh為風(fēng)傳感器高度換算系數(shù)。對7個海洋站和 3個臨時站分別用觀測資料統(tǒng)計(jì)分析和威布爾(Weibull)分布計(jì)算風(fēng)能參數(shù), 其結(jié)果見表1(限于篇幅僅列出了6個海洋站2007年計(jì)算結(jié)果)。

表1 2007年6個海洋站10 m高度上風(fēng)能資源狀況Tab. 1 Wind energy status at the height of 10 m of six ocean stations

2 遼寧沿海風(fēng)能分布特點(diǎn)

遼寧沿海風(fēng)能資源比較豐富, 其風(fēng)能資源主要特點(diǎn)分述如下。

2.1 風(fēng)能要素的日、季、年變化

2.1.1 風(fēng)速的日變化

圖2中, 分別從遼東灣西、北、東岸和黃海北岸選取了芷錨灣、葫蘆島、鲅魚圈、老虎灘 4個海洋站代表月風(fēng)速日變化曲線圖(11 a平均), 從圖2中可以看出：遼寧沿海地區(qū)白天風(fēng)速明顯大于夜間, 從上午8∶00左右風(fēng)速開始增大, 15∶00左右達(dá)到最大,然后開始減弱, 夜間到清晨風(fēng)速變化比較平緩; 遼東灣沿岸比黃海北部沿岸具有更明顯的晝夜變化,芷錨灣日較差達(dá) 1.6 ～2.0 m/s, 葫蘆島日較差達(dá)1.6～2.4 m/s, 鲅魚圈日較差達(dá) 1.2 ～2.1 m/s, 老虎灘日較差僅 0.8 ～1.5 m/s。

2.1.2 風(fēng)向及風(fēng)能的季節(jié)變化

遼寧沿海地區(qū)冬、秋季節(jié)盛行北風(fēng)或者偏北風(fēng);遼東灣沿岸春、夏季盛行南風(fēng)或偏南風(fēng), 黃海北岸春、夏季風(fēng)向比較分散, 春季除WSW風(fēng)外NNW風(fēng)和N風(fēng)較多, 夏季除ENE風(fēng)外E風(fēng)和WSW風(fēng)較多。限于篇幅, 本文僅給出芷錨灣風(fēng)向玫瑰圖, 見圖3。

從圖4有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時月變化可以看出：遼寧沿海地區(qū)風(fēng)能季節(jié)變化明顯, 月變化呈雙峰型分布, 春季最大, 秋季和冬季次之, 夏季最小,體現(xiàn)了遼寧沿海春季大風(fēng)的氣候特點(diǎn)。

圖2 1997～2007年10 m高度處風(fēng)速日變化Fig. 2 The diurnal variations of wind speed at the height of 10 m from 1997 to 2007

2.1.3 風(fēng)能的年際變化

從圖5有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時年際變化可以看出：各地有效功率和有效風(fēng)時年際變化顯著,1997～2002年相對于2003～2007年風(fēng)能偏大。遼寧沿海風(fēng)能資源出現(xiàn)階段性特征的原因可能是：(1)在全球氣候變暖影響下, 東亞季風(fēng)有所減弱, 從而使遼寧沿海地區(qū)風(fēng)能減小, 但這需要進(jìn)一步研究證明;(2)隨著港口建設(shè)、臨海工業(yè)和沿海旅游等海洋開發(fā)活動獲得前所未有的發(fā)展, 海洋站周圍環(huán)境可能已經(jīng)發(fā)生變化。

2.2 風(fēng)速頻率分布

圖6為4個海洋站10 m高度處風(fēng)速頻率分布圖。從圖6中可以看出, 遼寧沿海地區(qū)3 ～5 m/s的風(fēng)速頻率最高, 其中芷錨灣4 m/s風(fēng)速出現(xiàn)最多, 葫蘆島、鲅魚圈、老虎灘3 m/s風(fēng)速出現(xiàn)最多。

3 基于GIS的遼寧沿海風(fēng)能資源空間分布

計(jì)算得到的各海洋站和臨時站的常年風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時, 代表了各觀測站所在地區(qū)風(fēng)能資源狀況, 但是他們不能直觀地反映遼寧沿海風(fēng)能資源的空間分布態(tài)勢。為了評估無觀測站地區(qū)的風(fēng)能資源, 須通過空間插值, 如反距離權(quán)重插值(IDW)、Kriging插值、通過回歸方程插值等。

本文根據(jù)觀測站的站位數(shù)據(jù), 利用 IDW, 在ArcGIS中對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間內(nèi)插, 得到遼寧沿海風(fēng)能資源(有效風(fēng)功率密度、有效風(fēng)時和平均風(fēng)功率密度)分布數(shù)據(jù), 其結(jié)果見圖7和圖8。

根據(jù)朱瑞兆等研究結(jié)果[2], 將風(fēng)能分為4個等級,見表2。

從圖7和表2可以看出：遼寧沿海風(fēng)能資源包含了風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)和可利用區(qū)。其中風(fēng)能豐富區(qū)位于遼東灣沿岸：錦州沿海、盤錦沿海、營口沿海、葫蘆島北部沿海和大連西北部沿海; 風(fēng)能較豐富區(qū)位于葫蘆島中段沿海和大連南部、東南沿海; 風(fēng)能可開發(fā)區(qū)葫蘆島南部沿海、大連東北沿海和丹東沿海。全省沿海地區(qū)有效風(fēng)功率密度最高值在大連市溫坨子, 為 412 W/m2, 最低值為大連市黃家圍, 為124 W/m2; 有效風(fēng)時最高的是營口市鲅魚圈, 達(dá)到6 586 h, 最低為大連市黃家圍, 只有5 129 h。

圖3 芷錨灣10 m高度處風(fēng)向玫瑰圖Fig. 3 Rose maps of wind direction at 10 m height of Zhimaowan

圖4 10 m高度處有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時月變化Fig. 4 The monthly variations of valid wind power density and valid hours of wind at the height of 10 m

圖5 10 m高度處有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時年際變化Fig. 5 Annual variations of valid wind power density and valid hours of wind at the height of 10 m

圖6 10 m高度處風(fēng)速頻率Fig. 6 Wind speed frequency at at the height of 10 m

表2 10 m高度風(fēng)能區(qū)劃指標(biāo)Tab. 2 Wind energy grade at the height of 10 m

從圖8遼寧沿海平均風(fēng)功率密度可以看出：營口沿海和盤錦大部分沿海平均風(fēng)功率密度為 200～300 W/m2, 錦州沿海和葫蘆島北部沿海為 150～200 W/m2, 丹東沿海和大連東北沿海為50～150 W/m2,葫蘆島南部沿海、大連南部和東南沿海為 150～200 W/m2。

圖7 遼寧沿海有效風(fēng)功率密度和有效風(fēng)時分布Fig. 7 Distributions of valid wind power density and valid hours of wind of the coast Liaoning province

4 結(jié)語

本文利用遼寧7個海洋站11 a和3個臨時站不少于1 a的觀測數(shù)據(jù), 計(jì)算了遼寧沿海風(fēng)能資源及其時空分布, 初步掌握遼寧省沿海地區(qū)風(fēng)能資源的分布規(guī)律, 為遼寧省沿海地區(qū)制定海上風(fēng)電場發(fā)展規(guī)劃和政府決策提供科學(xué)依據(jù), 為遼寧省海洋功能區(qū)劃的修編提供技術(shù)支持。研究表明：遼東灣沿岸風(fēng)能資源豐富, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá) 250 W/m2, 大連南部和東南沿海風(fēng)能資源次之, 年平均風(fēng)功率密度達(dá)到175 W/m2, 丹東沿海和大連東北部沿海屬于風(fēng)能可開發(fā)區(qū), 年平均風(fēng)功率密度僅有75 W/m2。遼寧沿海風(fēng)能資源春季最豐富, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá) 185 W/m2, 秋季和冬季次之, 年平均風(fēng)功率密度可達(dá) 158 W/m2, 夏季最低, 年平均風(fēng)功率密度僅有88 W/m2。

圖8 遼寧沿海平均風(fēng)功率密度分布Fig. 8 Distribution of average wind power density of the coast Liaoning province

此外, 因資料所限, 本文在計(jì)算中用 10個觀測站的氣象數(shù)據(jù), 進(jìn)行了空間內(nèi)插形成遼寧沿海風(fēng)能資源分布, 其精度肯定受到影響, 特別是無觀測站地區(qū)。為了提高計(jì)算精度, 還需要進(jìn)一步增加海洋站的數(shù)量, 特別是高空觀測項(xiàng)目。

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Temporal-spatial distribution of the wind energy in Liaoning littoral

JIANG Bo1, ZHAO Shi-ming1, MA Zhi-zhong1, HOU Ping-ping2, XU Hui-fen1
(1. National Ocean Technology Center, Tianjin 300111, China; 2. The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization, State Oceanic Administration, Tianjin 300192, China)

Feb., 11, 2010

wind energy resource; valid hours of wind;wind power density; coastal area; GIS

The characteristics of wind energy along Liaoning coastal area were extracted from the wind data from 1997 to 2008 with the method of inverse distance weighted interpolation. The results show that the Liaodong Bay coastal area is rich in wind energy, which reaches 250 W/m2per year. The wind energy in the south and southeast of Dalian coastal area reaches 175 W/m2per year. Dandong and the northeast of Dalian coastal area is only a potential area for wind energy utilization, with a wind energy of about 75 W/m2per year. In addition, the resources in the Liaoning coastal area in spring are relatively high, which is about 1.2 times of that in autumn and in winter, and 2.1 times of that in summer. This research has practical value to the rational utilization of wind energy resources along Liaoning coastal area and the divison of ocean functional area.

P74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3096(2011)12-0056-07

2010-02-11;

2011-08-05

我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(xiàng)(908-01-NY)

姜波(1978-), 男, 山東即墨人, 碩士, 助理研究員, 主要從事數(shù)值模擬方向研究,電話 ：022-27686783, E-mail：qdjiangbo@163.com

致謝：感謝審稿專家和海洋科學(xué)編輯部劉珊珊老師提出的寶貴意見。

劉珊珊)