長三角嘉定昆山太倉毗鄰區風能資源評估

孔 莉 洪崇杰 樂 平 仇中柱＊ 王亞霖 魏麗東

1.上海市嘉定區氣象局

2.上海電力大學能源與機械工程學院

3.上海虹橋商務區能源服務有限公司

4.上海博陽新能源科技股份有限公司研究院

0 引言

2019年5 月，習近平總書記主持召開中央政治局會議，審議《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》。長三角經濟總量約占全國的四分之一，年研發經費支出和有效發明專利數約占全國三分之一，進出口總額、外商直接投資、對外投資約占全國三分之一。目前，以上海為中心的江浙滬一些毗鄰的地區，主要包括嘉定昆山太倉毗鄰區、青浦吳江嘉善毗鄰區等五個地區。這五個毗鄰區的區位、交通、產業、人文等方面聯系日趨緊密，可以說都是“長三角一體化發展示范區”的預備隊或有力競爭者。嘉定昆山太倉毗鄰區將依托國家戰略，推進能源電力等基礎設施、科技創新、產業協同、生態環境、市場體系等合作項目建設。嘉定昆山太倉毗鄰區主要由上海嘉定區、江蘇蘇州昆山市、江蘇蘇州太倉市組成。行政區域面積為2 205.64 km2。目前區域常住人口為394.86 萬人，戶籍人口為197.93萬人，人口密度為1 790人/km2，經濟總量6 191.32億元。嘉定是上海和江蘇地理最近、合作最早、經濟社會發展實力較強的行政區。安亭、花橋在長三角各城鎮中率先實現一體化發展已具備良好基礎。目前，三地已著手聯合打造“嘉昆太協同創新核心圈”等。可再生能源的高效利用將是嘉定昆山太倉毗鄰區基礎設施建設及保持生態環境國際水平的重要保障。

眾所周知，風力發電狀況直接影響我國風力發電企業經濟性的一個重要影響因素[2]。風能發電資源的合理評估利用是我國建設大型風電場取得成敗的關鍵所在[3]。隨著大型風力發電生產技術的不斷完善，根據國內外大型商用風電場的研究開發以及建設利用經驗，為有效保證大型風力發電建設機組的高風能效率穩定正常運行，達到資源預期利用目的，風電場建設場址必須完全具備并擁有較豐富的大型風能發電資源[4]。由此，對大型風能和水資源開發進行詳細的實地勘測和科學研究工作是在啟動大型風力發電項目前必須認真規劃完成的一項工作。

1 測風數據的獲取

本文中的測風數據是由上海市嘉定區國家一般氣象站提供，主要包括近五年時間內逐時風力（風速、風向）統計資料。氣象站的基本信息見表1。采集到的風向分成16 個方向，風速精確到0.1 m/s。

2 風資源評估的幾個主要指標因素及計算方法

對某一大型地區場所進行大型風能綜合資源利用評估，是為整個風電場所的建設項目前期所必須進行的重要評估工作。我國風能系統資源利用評估時需要綜合考慮的幾個主要技術指標及影響因素:平均風速、風功率密度、風向頻率、風速頻率、年風能可利用時間[5]。

表1 嘉定國家一般氣象站基本信息

2.1 風速換算公式

從理論上而言，風速隨高度的變化規律與底部的墊面性質、當地的大氣層結等因素有關，根據氣象學知識，可采用指數率和對數率公式進行計算[6]。根據上海市沿海若干個測風塔實測數據進行擬合分析，證明指數率公式更適合長三角地區風速隨高度變化的計算要求。風速隨高度換算的指數率公式可表示為[7]：

2.2 平均風速

2.3 風功率密度計算

風功率密度的定義是通過單位橫截面積上的風所含的能量，國際單位制以W/m2表示。風功率密度是表征風攜帶能量大小的重要因素。風功率密度和空氣密度的大小呈正比關系，而空氣密度則取決于自身的氣壓和熱力學溫度[8]。因此，不同地點、不同季節、不同溫度條件下的風功率密度是不同的。一般而言，海邊山區海拔低，大氣壓力高,空氣密度大。高山地區海拔高，大氣壓力低，空氣的密度小。但是，如果在高山地區風速大,氣溫低，仍然有機會保持有相當的風資源開發潛力。因此,空氣的密度大，風力也大，則大規模風能利用潛力最好[9]。

某地的風能發電資源利用狀況主要是由當地的自然地理位置、季節、地形等氣候、環境特點等所決定。目前通常廣泛采用的兩種評價我國風能資源綜合利用潛力的主要評價指標分別是有效風功率密度和有效風速時數。有效風速一般是指3 m/s～20 m/s區間的風速，有效風功率密度是根據有效風速范圍內的風速所計算的風功率密度。

風功率密度的計算公式如式（3）[10]

在僅知道當地海拔高度的情況下，計算平均空氣密度的公式如式（4）[7]：

3 風能資源評估

3.1 原始風速

近5年原始風速數據見圖1。

3.2 平均風速

利用公式（1）和（2）計算了距地面10.5 m 高和90 m高度處的近5年的年平均風速，近5年90 m高度處的月平均風速見表2和表3。

圖1 10.5 m高度原始風速數據

表2 年平均風速

表3 90 m高度月平均風速

長三角嘉定昆山太倉毗鄰區近五年逐年各月的平均風速見圖2。從圖2 中可見，毗鄰區90 m高度的平均風速，主要分布在 2.5～4.5 m/s 之間，同年各月的風速差異較大，春季和夏季的風速略高。90 m 高度年平均風速為3.335 m/s。全年三、四、五月份的風速相比其他月份較高，其中三月份高達3.7 m/s，十一月和十二月風速較小，低于年平均風速，其中十一月份的平均風速低于有效風速。

圖2 90 m高度五年逐月平均風速

3.3 風向頻率

風向原始觀測數據是用0～360°角度制來表示風向，風向符號和風向度數對照見表4。將在一定角度范圍內的度數轉換成對應的風向符號。在分析處理風向原始數據時發現僅少數典型風向統計數據有缺失,在進行統計計算風向缺失頻數和分析計算缺失概率時將這些數據缺失作為風向的統計數據暫不完全計入在內。根據歷年風向方位觀測數據資料,按16個風向方位分別統計風向觀測各個時段內(年、月)各時段風向觀測出現的時間小時數,除以總的風向觀測時間小時數即為各時段風向出現頻率[6]。

表4 風向符號和風向度數對照表

16 個風向的頻率分布玫瑰圖見圖3。從圖3中可知，南東南方向SSE和東東北方向ENE的風頻率較大，東東北方向風向頻率高達12%，因此，可認為東東北方向即ENE為主導風方向。

圖3 90 m 高度年平均風向頻率/（%）

3.4 風速頻率

以1 m/s 為一個觀測風速梯度區間，統計了幾個年度觀測風速圖序列中每個不同風速梯度區間內不同風速測量值出現的不同頻率。每個風速強度區間的一個數字分別代表中間的數值[11]。

圖4 表示90 m 高度近五年風速區間的頻率分 布 。 從 圖 中 可 以 看 出, 2.5～3.5 m/s 的 風 速年分布最大，占到總比例的20%以上。其次是2 m/s。同時與3 m/s 相鄰風速區間內是風速分布最為集中的區間。對于12 m/s 以上的風在近五年的時段內中發生次數較少。因此90 m高度主要能利用的是3～12 m/s風速的風力資源。

圖4 90 m高度全年風速頻率

3.5 有效風時數

不同高度風速在3 ～20 m/s之間的累計小時數見表5 所示，由表5 可見，90 m 高度年風能可利用小時數為4 640 h。

表5 不同高度年有效小時數

3.6 風功率密度

評價一個地區的風能資源狀況的重要指標是有效風時數和風功率密度[12]。其中風功率密度又可以分為平均風功率密度和有效風功率密度，平均風功率密度值是根據五年間所有平均風速密度對應的所有功率測量密度進行計算時所得到的風平均值，而有效風功率密度值是在有效風速區段3～20 m/s 速度范圍內計算求得的風功率密度的平均值。兩者計算如式（5）和式（6）[13]。

將數據處理結果中的有效風速以1 m/s進行劃分，即3.5～4.5 m/s，4.5～5.5 m/s，……最后區間劃分到14.5～15.5 m/s。各個區間的平均風速經計算后如圖5所示。

圖5 90m高度各風速區間內的平均風速

利用公式可以分別求得10.5 m處和90 m處的年平均風功率密度和年有效風功率密度，見表6。

表7 是風能區劃標準，該表根據利用年有效風能密度并利用年平均風速不小于3 m/s 的大風的持續累積利用小時數將全國風能區分為4 個區。根據計算結果90 m高度的年平均風功率密度和年有效風功率密度均處于“風能可利用區”的范圍內，分別為 50.07 W/m2和 89.95 W/m2（考慮到風速換算公式中風切變系數取值為0.19，90 m 處風速可能會與實際結果存在一定偏差），但是90 m處風能年有效小時數高達4 640 h，按照標準表屬于較為豐富區。

表6 10.5 m和90 m高度處風能密度

表7 風能區劃標準

4 結論

對長三角嘉昆太毗鄰區近5 年氣象數據進行了計算分析，發現該區域的有效風功率密度為89.95 W/m2，按照風能區劃標準處于風能可利用區；年有效風力時數為4 640 h，按照風能區劃標準處于風能較豐富區，說明該地區的風能資源處于較豐富區和可利用區之間。ENE（東東北方向）和SSE（南東南）為該地區全年出現頻率最高的兩個風向，在風電場址和風力發電機布置時應根據兩個主要風向進行優化設計。本文中風速隨高度的規律根據經驗選定了指數公式，指數也基于長三角嘉昆太毗鄰區的地貌特征結合實際經驗取值0.19，尚有一定的不確定性，可作為預可行性研究。建議在本文分析的基礎上，后續需要建立測風塔，實測至少1個完整年度的風力資料，根據實測風能數據才能準確評估風力發電項目的可行性。