寒冷地區(qū)風(fēng)能資源測(cè)量與風(fēng)力發(fā)電可行性分析

馮 放，李 巖，李元強(qiáng)

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

當(dāng)前能源建設(shè)，尤其是農(nóng)村能源建設(shè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的迅速提高。黑龍江省作為著名的農(nóng)業(yè)大省有著豐富的能源，但是廣大農(nóng)民生產(chǎn)生活能量消耗高，能量需求量大也是不可忽視的問題，廣大農(nóng)村迫切需要新的能源技術(shù)來建設(shè)和優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而發(fā)展可再生能源，可以在一定程度上減少能源的消耗量，減輕環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展以至在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中獲得綜合效益。黑龍江省的能源儲(chǔ)量尤以生物質(zhì)能、風(fēng)能和太陽能最為豐富。針對(duì)這一特點(diǎn)，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院的可再生能源研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)以生物質(zhì)能源為主，風(fēng)能和太陽能為其提供輔助能源的“風(fēng)-光-沼”綜合利用系統(tǒng)，以期建立寒冷地區(qū)的可再生能源綜合開發(fā)與利用的新模式，實(shí)現(xiàn)能源利用系統(tǒng)的能量平衡，提供農(nóng)村能源建設(shè)的新技術(shù)，改善農(nóng)民的生活問題，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

但是在“風(fēng)-光-沼”綜合利用系統(tǒng)中需要導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電，利用風(fēng)能提供能源，這首先需要對(duì)校園內(nèi)的風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估，分析風(fēng)力發(fā)電的可行性。然而，黑龍江省地處高寒地區(qū)，傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)能資源測(cè)量系統(tǒng)會(huì)因積雪和結(jié)冰等問題影響測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。為此，本研究采用了適用于寒冷地區(qū)風(fēng)資源測(cè)量的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)，采集了東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)一年的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，利用風(fēng)資源評(píng)估理論[2]對(duì)寒冷地區(qū)的風(fēng)資源分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，計(jì)算了風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量和設(shè)備利用率，論證了導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電的可行性。同時(shí)，本研究也確立了在寒冷地區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源調(diào)查的方法和模式，為寒冷地區(qū)風(fēng)資源的測(cè)量與評(píng)估提供了新的借鑒和思路。

1 測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法

1.1 測(cè)量系統(tǒng)

本研究測(cè)量儀器采用適用于寒冷地區(qū)的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向儀（英國Gill公司生產(chǎn)），測(cè)量裝置設(shè)置在黑龍江省南部哈爾濱市（東經(jīng)126°38′，北緯45°45′）市郊的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，測(cè)量裝置距地面高度為17 m。測(cè)量系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Measuring system constitutes

1.2 測(cè)量方法

在2009年1月至12月期間，利用上述測(cè)量系統(tǒng)，全天24 h實(shí)時(shí)采集了風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 s。采集到的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，并根據(jù)風(fēng)資源評(píng)估理論中本研究所需計(jì)算的主要參數(shù)（平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速頻率、風(fēng)功率密度等）對(duì)每秒鐘的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并根據(jù)所計(jì)算的主要參數(shù)計(jì)算了風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量及其設(shè)備利用率，論證了導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電的可行性。

2 測(cè)量結(jié)果與計(jì)算

2.1 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速是最直觀簡單表示風(fēng)能儲(chǔ)量大小的指標(biāo)，主要包括年平均風(fēng)速和月平均風(fēng)速[2]。前者是一年中各次觀測(cè)的風(fēng)速之和除以觀測(cè)次數(shù)，后者則是將各月觀測(cè)的風(fēng)速之和除以觀測(cè)次數(shù)。本研究將測(cè)量系統(tǒng)采集的全年風(fēng)能資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入自行開發(fā)的處理程序中，通過數(shù)據(jù)庫計(jì)算功能，計(jì)算出了年平均風(fēng)速和各月平均風(fēng)速。并以此為基礎(chǔ)，利用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式（1）[2]，推算出了離地高度為70 m處的年平均風(fēng)速和月平均風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 2009年全年離地17 m和70 m高度處平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)Table 1 Height of 17 m and 70 m from the ground at an average speed statistics the year of 2009(m·s-1)

從表1中可以看出校園內(nèi)離地17 m高度處，全年平均風(fēng)速為3.09 m·s-1，其中2、3、4、5、11、12月的平均風(fēng)速都高于3 m·s-1；而離地70 m高度處全年各月風(fēng)速都高于3 m·s-1，全年平均風(fēng)速達(dá)到了6.08 m·s-1。另外通過分析圖2所示的2009年5月30這一天的每小時(shí)風(fēng)速變化情況，可知風(fēng)速在一天內(nèi)的變化范圍也是較大的。因此，可以說，在70 m高度處東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)有較豐富的風(fēng)能資源可以利用。根據(jù)導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電的最低風(fēng)速要求在3.5 m·s-1以上這一原則，在校園內(nèi)70 m以上高度導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電是具有很高的可行性的。

2.2 風(fēng)向頻率玫瑰圖

風(fēng)向頻率玫瑰圖是根據(jù)風(fēng)向的測(cè)量數(shù)據(jù)，按16個(gè)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用出現(xiàn)方向的時(shí)間除以總的觀測(cè)時(shí)間，從而確定主導(dǎo)風(fēng)向，這對(duì)于風(fēng)電場機(jī)組位置排列可以起到關(guān)鍵的指導(dǎo)作用[3]。圖3所示為利用本研究觀測(cè)到的風(fēng)向數(shù)據(jù)得到的風(fēng)向頻率玫瑰。由圖3可知，校園內(nèi)全年風(fēng)向頻率出現(xiàn)的最大值是SWW和W，其風(fēng)向出現(xiàn)率分別占全年的12.1%和9.9%，占有較大百分比，即該地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向是偏西風(fēng)，這與黑龍江省的季風(fēng)氣候和高緯度的地形特征有關(guān)。因此，風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪方向應(yīng)面向偏西風(fēng)方向排列。

圖2 2009年5月30日每小時(shí)風(fēng)速變化曲線Fig.2 May 30,2009 hourly wind speed curve

圖3 2009年風(fēng)向頻率玫瑰Fig.3 Direction frequency rose diagram of 2009

2.3 風(fēng)速頻率分布

風(fēng)速頻率是以1 m·s-1為一個(gè)風(fēng)速區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)的次數(shù)[4]。它是風(fēng)能利用中反映風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖4所示為2009年離地17 m高度處全年風(fēng)速頻率分布圖，全年中風(fēng)速為3 m·s-1附近的風(fēng)速出現(xiàn)頻率23.4%為最高峰，全年分布規(guī)律為單峰形式，峰值出現(xiàn)在風(fēng)速3 m·s-1附近的區(qū)域，可知校園內(nèi)風(fēng)能儲(chǔ)量穩(wěn)定。

通過求得的風(fēng)速頻率分布，利用最小二乘法可以計(jì)算出風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的概率密度。一般來說，擬合風(fēng)速分布的威布爾分布被認(rèn)為是適用于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)描述的分布函數(shù)[2]，并且如果知道了一個(gè)高度風(fēng)速的威布爾分布參數(shù)，便可求出任意高度的威布爾參數(shù)，所以威布爾分布擬合風(fēng)速要比其他分布擬合要方便。本文利用風(fēng)速頻率分布數(shù)據(jù)和公式（2）（概率密度函數(shù)的計(jì)算公式[2]），可以計(jì)算出在離地70 m高度處的威布爾參數(shù)，即k=1.3，c=3.7。圖4中的實(shí)線即為威布爾分布曲線。

圖4 2009年風(fēng)速出現(xiàn)頻率分布與威布爾分布Fig.4 Frequency distribution of 2009 and the Weibull wind speed distribution

公式（2）為

2.4 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是氣流垂直通過單位面積的風(fēng)能，它是表征一個(gè)地方風(fēng)能資源多少的指標(biāo)[2]。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，所以一定要觀測(cè)考察平均情況，即平均風(fēng)功率密度，其計(jì)算公式為（3）[3]，本文將全年風(fēng)速數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫計(jì)算得東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)離地70 m高度處年平均風(fēng)功率密度為393.4 kW，根據(jù)風(fēng)能評(píng)估理論，可知處于風(fēng)能可利用區(qū)范圍[3]。

從以上風(fēng)資源評(píng)估理論中的主要參數(shù)（平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速頻率、風(fēng)功率密度等）的計(jì)算可知，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)70 m以上高度處的風(fēng)資源達(dá)到了風(fēng)資源評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，論證了導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電的可行性。

3 風(fēng)力發(fā)電可行性分析

根據(jù)風(fēng)資源評(píng)估理論中的主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果及風(fēng)速概率密度，通過進(jìn)一步計(jì)算可得到該地的風(fēng)能可利用時(shí)間和風(fēng)力機(jī)的設(shè)備發(fā)電量和利用率。

3.1 風(fēng)能可利用時(shí)間

利用公式（4）[2]可求得東北農(nóng)業(yè)大學(xué)離地70 m高度處全年風(fēng)能可利用時(shí)間為5 365 h，約占全年時(shí)間的61.2%。

3.2 設(shè)備發(fā)電量與利用率

現(xiàn)在以一臺(tái)風(fēng)能利用系數(shù)為0.45的2 000 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，利用風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算公式（5）[3]，可以計(jì)算出其全年的發(fā)電量為3.59×106kWh。

利用公式（6）[4]，可計(jì)算出其設(shè)備利用率（容量系數(shù)）為21%。

通過風(fēng)能利用時(shí)間和設(shè)備利用率的估算，可以推知此地全年風(fēng)可能利用時(shí)間符合風(fēng)資源可利用區(qū)域的要求，如果選擇適合的風(fēng)力機(jī)其設(shè)備利用率是比較理想的。

4討論

綜上可見，在地處寒冷地區(qū)的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)70 m以上高度處的風(fēng)資源非常豐富，處于風(fēng)能可利用范圍內(nèi)，十分適合導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活需要能源提供補(bǔ)充。圖5所示即為以沼氣生產(chǎn)為主，風(fēng)能和太陽能為其提供輔助動(dòng)力的寒冷地區(qū)“風(fēng)-光-沼”綜合利用系統(tǒng)的示意圖。由于寒冷地區(qū)冬季時(shí)間長，沼氣發(fā)酵需要大量能量來保溫，導(dǎo)致系統(tǒng)能量不平衡。而風(fēng)力發(fā)電的導(dǎo)入可以有效地解決這一問題，因此，可以預(yù)見該系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖5“風(fēng)-光-沼”綜合利用系統(tǒng)Fig.5 “Wind-Light-biogas”reuse system

5結(jié)論

本研究通過對(duì)位于寒冷地區(qū)的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園中2009年全年內(nèi)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和分析，確立了在寒冷地區(qū)進(jìn)行風(fēng)資源測(cè)量與評(píng)估的一種方法和模式，以此計(jì)算了各項(xiàng)風(fēng)能評(píng)估參數(shù)，論證了風(fēng)力發(fā)電的可行性，為在高寒地區(qū)導(dǎo)入風(fēng)力發(fā)電，建立以生物質(zhì)能利用為主，風(fēng)能和太陽能為輔的“風(fēng)-光-沼”可再生能源綜合利用系統(tǒng)提供了重要實(shí)踐基礎(chǔ)。為地處寒冷地區(qū)的農(nóng)業(yè)大省減少能源的消耗量，減輕環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展以至在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中獲得綜合效益，探索農(nóng)村能源發(fā)展利用的新技術(shù)，進(jìn)行可再生資源綜合利用提供了依據(jù)。

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