寧波市鄞州區白巖山風能資源利用的實踐與思考

王杰，孫天添，趙曉彤，蔡仕博，辛欣，聞丹

(1.寧波市鄞州區氣象局，浙江 寧波 315100；2.國電鄞州風力發電有限公司，浙江 寧波 315100)

綠色低碳能源的大力開發是能源供給側改革、能源結構轉型、降低碳排放的重要舉措[1]，風能作為重要的可再生能源，發電不消耗一次性能源，不污染環境，建設周期短，裝機規模靈活，占地少，對土地要求低，發電方式多樣化，具有很高的環境價值和廣闊的發展前景。在可再生綠色能源開發利用中，風力發電技術最為成熟，已成為當前世界上增長最快的能源。目前，中國正逐年增大新能源發電的比例，積極推進風電項目的建設。浙江省積極推進近海風電項目建設，省內近海和離大陸較遠的海島，屬風能資源豐富區，也是浙江風能資源最好的地區，研究風能的開發利用，對助推綠色低碳能源的持續發展，加強生態文明建設，有著重要的理論和實踐意義。隨著風能資源的不斷開發和利用，人們也開始關注氣候、環境和風電場之間的相互影響。張雙益等[2-5]研究了大氣邊界層與風力發電的相互作用，發現不同的下墊面會不同程度地改變風力機下游空氣流動，使近地面的風速及湍動能發生變化；曾琦等[6-9]著重分析了臺風、雷電、低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫等各類氣象災害對風電場的影響，氣象災害會使風電場內設備受損，發電效益降低，并提出相應的措施。王燁芳等[10]利用實時觀測數據，對江蘇環港風電場風能資源進行特征分析。薛曉丹等[11]研究了風力發電對生態環境的影響。

鄞州區白巖山風電場位于浙江省寧波市鄞州區橫溪鎮、塘溪鎮的白巖山一帶，靠近浙北沿海，離象山港沿海直線距離11 km，平均海拔高度500 m，氣候條件優越，被評為浙江省避暑勝地，當地堅持高質量綠色發展理念，有效利用丘陵風能，深入發掘風力發電潛力，推進風力發電綠色經濟發展，助力鄉村振興，實現生態可持續發展。就近利用風能資源，既可助力當地調整能源結構，又能帶動鄉村經濟發展。場地安裝單機容量2、2.5 MW風力發電機組各15臺，總裝機容量67.5 MW，風機風筒高度都為80 m，其中2 MW風機葉片直徑96 m，2.5 MW風機葉片直徑103 m。本文重點研究風電特征，以提高風力能源資源利用率，為日常風電管理提供技術參考。

1 材料與方法

所用資料取自2018年1月至2020年12月白巖山風電場16號機(以下簡稱白巖山站，海拔500 m)記錄到的低空10、50、70、80 m風向風速，以及有效風功率數據，時間分辨率15 min，數據完整率84.7%，其中2018年數據較為完整，達98.8%，2019年和2020年由于檢修維護等原因，數據完整率分別為71.6%和83.7%。

2 結果與分析

2.1 風速與風向

2.1.1 風速

圖1表明，10 m高度風速大多在<6 m·s-1，其中，1～4 m·s-1占總樣本的60%左右，風速>6 m·s-1的占10%，>10 m·s-1的占0.5%左右；50、70、80 m 3個高度的風速分布特征基本相似，但明顯右偏，峰值基本都出現3～5 m·s-1，風速在6～10 m·s-1出現的頻率也明顯高于10 m高度，>10 m·s-1的占比為5%左右。由于風機運行需要滿足一定的風速條件，以16號風機為例，運行的切入風速為3 m·s-1，<3 m·s-1時很難輸出風功率，而為了保證風機在極端大風下的安全，風速達到25 m·s-1將停止運行，進入切出保護。在3～25 m·s-1可發電風速中，又可分為3～10 m·s-1未滿負荷運行和10～25 m·s-1滿負荷運行。根據上述風速劃分，統計各區間風速出現的頻率，可以看到風機高度(80 m)可利用的風速占比約82.6%，其中，3～10 m·s-1未滿負荷占76.5%，10～25 m·s-1滿負荷占6.1%，不可發電風速占17.3%(表1)。轉換為小時數，年有效風時數達7 200 h左右。

圖1 白巖山風電場風速頻率的分布

表1 白巖山風電場風速頻率和風能利用的年小時數

圖2表明，全年10～80 m層高平均風速依次為3.4、5.2、5.4、5.6 m·s-1，風速隨高度基本呈指數分布，擬合指數(簡稱風廓線指數，下同)為0.244(R2為0.995，通過0.001顯著性檢驗)，這與眾多文獻的結論一致。從各月平均風速看，月平均風速最大值出現在12月，其次為8月；最小值出現在6月，其次為5月；其他月份則與年平均風速較為接近。這種風速月際分布特征與寧波地區的氣候特征密切相關，寧波地區處于典型的亞熱帶季風氣候區，冬季多冷空氣大風，夏季易受臺風影響，因此，風能資源較為豐富，而春末夏初屬季節過渡期，冷空氣和臺風影響均較少，是全年中風能資源相對匱乏的月份。從擬合曲線看，盡管各月平均風速存在明顯差異，但均遵循指數分布，指數最大出現在6月，最低出現在1月，1—4月、9—10月低于全年統計值，其他月份則高于全年值。由于下墊面粗糙度和近地層大氣穩定度是影響風廓線指數的主要因素，下墊面越粗糙、大氣越穩定，風廓線指數越大，反之越小。統計表明在同一季節不同月份，在下墊面粗糙度和天氣系統的綜合影響下，風廓線指數存在明顯差異，因此，利用基于全年甚至單個季節的風廓線統計指數進行風速高度推算時需慎重。

圖例數據為各月風廓線指數

圖3基于全年樣本統計的不同層高風速日變化曲線可以發現，高、低層風速日變化特征有明顯差異。50、70和80 m的風速日變化特征基本相似，風速在夜間相對穩定，早晨6：00前后起風速下降，9：00起增強；而10 m高度風速在夜間同樣穩定，但在6：00起逐漸增強，峰值出現在14：00前后，以后逐漸減弱。這種特征與大氣穩定度密切相關，夜間大氣相對穩定，高低層動量交換小，風速差異更大；白天日出前后由于太陽輻射使得地面加熱，近地層大氣趨于不穩定，高低層動量交換使得風速垂直切變減小。

圖3 風速日變化(a.不同層高全年平均風速，b.10 m高度不同月份平均風速，c.80 m高度不同月份平均風速)

綜合來看，6月風速值在全年中相對最小，是安排時間較長的大檢修最佳時間，6：00—9:00是風速值在全天中最小時段，短時的風機自主檢查維護可安排在該時間段進行。

2.1.2 風向

由于寧波處于季風氣候區，年內存在明顯的盛行風向，且風向季節差異明顯。從圖4可以看出，白巖山站各高度風向分布基本一致，全年主導風向均為偏北風，占比23%左右，其次為偏南風，一般可達22%左右，NE、NW、SE 3個風向比例相近，均在12%左右，其余風向(SW、W、E)占比均<9%。

圖4 白巖山風電場各高度層次風向頻次玫瑰

主導風向的一致性好，可有效減少風機偏航角度的調整頻率，從而提高風能利用率。為分析日內風向的一致性，圖5給出80 m高度年內逐日風向頻率。分析表明，1～60 d(1—2月)以及240～365 d(9—12月)主導風向為偏北風，120～210 d(5—7月)主導風向為偏南風，這段時間內風機角度可較少的調整，風能利用率較高，而60～90 d(3—4月)以及210～240 d(8月)主導風向較為發散，尤其是8月，作為平均風速第二大的月份，需要頻繁進行風機偏航角度調整，從而盡量提高風能利用率。

圖5 白巖山風電場層高80 m年內逐日風向頻率

2.2 風功率

由于檢修維護等原因，2019—2020年數據部分缺失，因此，有效功率(發電量)分析主要以2018年的數據為依據。

2.2.1 有效風功率與風速

圖6 白巖山風電場有效功率與風速散點對比圖(2018年)

2.2.2 有效風功率和有效風時數月變化

經統計，2018年該電機發電總量為162.22 GW·h，年有效小時數7 742 h。從月分布(圖7)看，12月發電量最大，達21.97 GW·h，有效小時數685 h；3月發電量次之，為18.14 GW·h，有效小時數705 h；6月發電量和有效小時數均為全年最小，分別為5.85 GW·h和596 h。對比月平均風速分布特征可以看出，8月為平均風速全年第二高的月份，但月發電量不及3月，主要原因是該月大風多為臺風和強對流影響，風速波動大，多10.5 m·s-1以上的大風，風機易進入滿負荷狀態，而3月盡管平均風速較低，但有效小時數為全年最高，因此，有效風功率較高。

圖7 白巖山風電場發電量和有效小時數逐月分布

3 小結

對寧波市鄞州區白巖山風電場2018—2020年的風速風向及風功率數據進行統計分析，得出以下結論：1)在80 m風機高度，不可發電弱風速占17.3%，可發電風速小時數占全年82.6%；月平均風速最大值出現在12月，其次為8月，最小值出現在6月，其次為5月，其他月份則與年平均風速較為接近。6月風速值在全年中相對最小，是安排時間較長的大檢修最佳時間；6：00—9:00是風速值在全天中最小時段，短時的檢修可安排在這段時間進行。2)平均風速隨高度基本呈指數分布，擬合指數為0.244；由于下墊面和天氣系統差異，同一季節不同月份，風廓線指數存在明顯差異。3)白巖山站存在顯著的季節主導風向，1—2月、9—12月主導風向為偏北風，5—7月主導風向為偏南風，這段時間內風機角度可較少調整，風能利用率較高；3—4月以及8月主導風向較為發散，尤其是8月，作為平均風速第二大的月份，需要頻繁進行風機角度調整，從而盡量提高風能利用率。4)2018年風機發電總量為162.22 GW·h，年有效小時數7 742 h，12月發電量最大，3月發電量次之，6月發電量和有效小時數均為全年最小。

4 思考

2019年，鄞州列入全國鄉村治理體系建設試點示范縣(區)，獲評農業農村部全國農村創新創業典型縣，成為中國最具幸福感城市和浙江縣域社會治理“十佳”縣(市、區)，還被評為浙江省綠色發展先行區。白巖山風電場緊緊圍繞美麗和諧風電建設，出色的人文自然環境，被媒體、網友譽為寧波最美風車公路，為當地的生態旅游作出了巨大貢獻。因生態環境復綠效果較好，部分建設標準被浙江省能源局采納，作為浙江省陸上風電與美麗景觀建設指導意見予以推廣。做好風的預報預測服務，提高風電場的預報準確度，尤其是臺風過程期間的預報準確率，是風電高效安全運維的關鍵。下一步，我們將重點研究高山地形條件下風的短期預報，為風電場短期風預測預報提供技術支撐，發揮風電最大效能，助力鄞州鄉村振興。