臨汾市風能資源區劃分析

吳海婷等

摘 要：為了明確臨汾市境內風電資源的豐匱及其分布狀況，區劃出風電可利用區和不宜開發區，將臨汾市所轄17個縣（市、區）氣象觀測站點的2000—2011年自記逐時風向風速資料進行了平均風速、有效風速時數、平均有效風能密度和劃分有效風能區域的分析，繪制出全市年均風能密度和風能區劃圖。結果表明：市內的蒲縣、隰縣中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區，是臨汾市風能資源最豐富的區域，符合可開發條件，為日后開發利用提供了依據。總體而言，臨汾市屬風電資源欠豐富區。但是，境內地勢較高的連片山區，如南呂梁山區依然存有風電資源可利用區，具備開發利用的基本條件。

關鍵詞：有效風力；有效風能；風能區劃

中圖分類號：P425.6+3 文獻標志碼：A 論文編號：2013-0321

District Division Analysis of Wind Energy Resource in Linfen City

Wu Haiting1， Li Lin2， Cao Qiaolian1， Li Guoqiang1， Wang Wenping1， Guo Jie1

（1Linfen Meteorology Bureau of Shanxi Province， Linfen 041000， Shanxi， China；

2Anyang Meteorological Bureau of Henan Province， Anyang 455000， Henan， China）

Abstract： In order to clarify the abundance， scarcity and distribution of wind power resources of Linfen， and divide the areas into wind power available and unavailable zones， the author analyzed the average wind speed， hours of effective wind speed， average effective wind energy density and the division of effective wind energy area based on the self-recording hourly wind data of meteorological observation stations in 17 counties （cities， districts） belonging to Linfen from 2000-2011， and plot the citys average annual wind energy density and wind zoning map. The results showed that： Pu County， mid-east of Xi County and south of Lvliang located in the mid-west of Fenxi County were regions that had the most abundant wind energy resources in the city， which also in accordance with the development conditions， it provided foundation for future development and utilization of wind energy resources. In general， Linfen was less abundant wind resource areas. However， the contiguous high mountain terrain in Linfen， such as south of Lvliang， still existed wind power resources available areas， and qualified for development and utilization.

Key words： Effective Wind Force； Effective Wind Energy； Wind Energy Division

0 引言

本研究給臨汾市區劃出可開發的風能區域，為當地利用風能資源選址提供了依據。有研究指出，按年有效風能時數的多少和年有效風能密度的大小，將中國的風能資源劃分為風能豐富區、較豐富區、可利用區和匱乏區4類，臨汾市被劃歸匱乏區。但是，臨汾市地勢復雜，汾河從中貫穿南北，東西是丘陵山區，海拔1000～2200 m，山區常年風力較大，能否開發市山區縣風能資源是本研究課題的著眼點。在有研究的基礎上，通過風資料站點的加密處理，對市轄全部17個縣（市、區）氣象觀測站2000—2011年逐時自計風向風速資料進行了分析，得知蒲縣年有效風速時數5412 h，年有效風能密度131 W/m2，年有效風速頻率42%，該縣相鄰的隰縣、汾西縣的年有效風速時數和年有效風能密度，也都達到風能較豐富區或可利用區的要求。認為以蒲縣為中心、聯合隰縣、汾西縣在南呂梁山區建設小范圍的風力發電網，利用這里的風電資源是可行的[1-7]。

1 資料與方法

1.1 資料來源

利用臨汾市所轄17個縣（市、區）氣象觀測站2000—2011年連續自動逐時記錄的風向風速數據。

1.2 研究方法

在獲取各觀測站點有效風速（≥3 m/s）資料的基礎上，將有效風速的大小結合其相應出現的時數換算成有效風能密度，然后再分別統計計算出各站點年有效風能時數、有效風速頻率和年有效風能密度，將數值分別標注到臨汾市行政地圖上，按照朱瑞兆等提供的全國劃分風能資源標準，區劃出臨汾市風能資源的可利用區域。

2 結果與分析

2.1 有效風能時數

目前，評價一個地區風能資源的大小，主要通過統計計算當地年有效風速時數和年有效風能密度這2項指標來認定。年有效風速（3～20 m/s）時數，可從所轄各縣（市、區）氣象局（站）的連續自計風向風速記錄中獲取。表1是臨汾市17縣（市、區）2000—2011年有效風能總時數統計。

由表1可知，臨汾市有效風速時數以西部的南呂梁山區大，隰縣、蒲縣、汾西3縣年有效風速時數>2000 h，尤其以蒲縣達5412 h，為全市最大；時數最小的區域出現在黃河沿岸的永和縣、鄉寧縣，≤720 h，比汾河谷地各平川縣（市、區）還小；東部山區也不大，在1329～1504 h之間，以浮山縣1504 h為東部山區最大，安澤縣次之。

按季月劃分，以春季（3—5月）為大，達584.7 h，占年總時數的37%，尤以4月最大，208.1 h；以秋季至冬季為小，9—12月平均96.5 h，其中10月份92.8 h為全年最小，見圖1。

2.2 平均有效風能密度

本研究指3～20 m/s風速的平均風能密度，利用此風速頻率按公式（1）～（2）計算獲得。

設風力機的啟動風速為V1，定額風速為V2。本研究選用V1=3 m/s；V2=20 m/s，則滿足：

設T為該地某年（月）內有效風速的總時數，則：

式中：—欲求的平均有效風能密度（W/m2）；ρ—空氣密度，取1.225 kg/m3；Ni—各有效風力（Vi）的出現時數（h）。

按上式要求，對臨汾市17縣（市、區）2000—2011年平均有效風能密度進行求算，其結果見圖2。

由圖2可知，臨汾市風能密度以蒲縣為中心的南呂梁山區最大，蒲縣、隰縣年均風能密度>100 W/m2，為全市最大區域；沿黃河東岸的永和縣、吉縣、鄉寧縣及古縣為全市小區域，年均<50 W/m2；其他平川地區和東部山區各縣，年均有效風能密度50.3～72.6 W/m2之間，為全市中等。

臨汾市年均風能密度的季、月分布：以冬、春季為大，12月—次年5月，月均>5 W/m2，其中尤以3月份最大，達7.44 W/m2；6—11月的夏、秋季，風能密度小，月均<5 W/m2，尤以8月最小，只有3.8 W/m2。其地域分布，蒲縣12月—次年5月，月均風能密度≥12.13 W/m2，6—11月平均7.5 W/m2，為全市最大。年均風能密度小的永和縣、鄉寧縣、古縣1—12月，月風能密度均<4 W/m2，永和縣12個月均<3 W/m2，是全市風能密度最小。

2.3 風能區劃

在探明臨汾市風能資源分布狀況、了解各地風能資源差異的基礎上，將臨汾市的風能資源進行了區劃，區劃的指標有3條[8-11]：

（1）年均有效風能密度的大小和年有效風速可利用小時數的多少為區劃的一級指標，其具體規定見表2。

（2）風能的季節變化作為區劃的2級指標。各季風能密度大小和有效風能時數多少，從大到小按序排位，以1、2、3、4分別代表春、夏、秋、冬4季。例如，春季有效風能密度和有效風速時數最大，冬季次之，就用“1、4”來表示，其他類推。

（3）風力機的最大風速設計，作為區劃的3級指標。一般取當地有一定重現期的最大風速，以風力機30年壽命為基準，可分成4級：風速>35～40 m/s為特強最大設計風速，稱為特強壓型（a）；風速30～35 m/s為強壓型（b）；25～30 m/s為中壓型（c）；<25 m/s為弱壓型（d）。臨汾市取弱壓（d）型。

按照上述3條風能區劃指標，采取重疊法對臨汾市風能資源進行區劃，其結果見圖3。

由圖3可知，隰縣、蒲縣的中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區，是臨汾市風能資源大的區域，屬風能資源可利用區。風能資源以春季最大，冬季次之，可安裝弱壓（d）型風力機發電。臨汾市其他14個縣（市、區）均屬風能資源貧乏區，不宜開發。

3 結論

本研究利用2000—2011年臨汾市所轄17個縣（市、區）氣象站的風向風速等自記記錄，進行了年有效風能時數和年有效風能密度的統計計算，并按風能資源區劃指標進行了區劃分析。由分析可知，轄區內隰縣、蒲縣的中東部和汾西縣中西部的南呂梁山區，是臨汾市風能資源最大區域，符合可開采利用條件，這為這里風電選址和可行報告的編制提供了科學依據[12-15]。

4 討論

（1）總體而言，臨汾市的風力資源比較匱乏。但是，本研究對臨汾市風力資源進行區劃時發現，有蒲縣等3個山區縣，由于地勢較高，風力資源達到可利用區的要求。因此，本研究成果可為蒲縣、隰縣、汾西縣聯網（或單獨）開發利用當地風能資源提供依據。

（2）所取蒲縣、隰縣、汾西縣的年有效風力資料，均來源于該縣城郊氣象觀測站，站址相對平坦，其周圍均為丘陵（甚至山）區，相對高度差約100～200 m。按風速隨高度變化的指數公式（3）計算。

V=V0[H/H0]n…（3）

式中：V為距地面H高度處的風速（m/s）；V0為高度H0處（即離地面10 m高處）的風速（m/s）；n為冪指數，其大小取決于大氣穩定度和地面粗糙度，本地為硬地面，基本光滑，可取0.1。

則：V=V0[H/H0]0.1>V0…（4）

即近郊山上的風速比氣象觀測站的風速大，如果在近郊山上設置風力發電網，則所獲有效風能要大于本研究結果。

（3）將臨汾市17縣（市、區）2000—2011年各月平均有效風能密度值列于表（表略），分析可知：蒲縣、隰縣、汾西縣的平均有效風能密度的月際變化，具有明顯的規律性，均以冬末至春初為大，夏末至秋初為小；最大值出現在3月，次大值出現在2、4月，其量值與最大值接近；月最小值出現在8月，次小值出現在9、10月，量值都很接近。這種風能密度月、季變化的規律性和規律的同步性，都有利于該3縣聯網利用風電。

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