龙口海洋站风能资源分析与评价

杨丽芬，周玲，王斌，郝玉

（国家海洋局北海信息中心 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033）

龙口海洋站风能资源分析与评价

杨丽芬，周玲，王斌，郝玉

（国家海洋局北海信息中心 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033）

根据中国《风电场风能资源评估方法》和相关技术规定，对龙口海洋站的风能资源进行了分析与评价。结果表明，1995－2008年龙口海洋站10 m处的平均风速为6.8 m/s，年平均风功率密度为377 W/m2，年平均有效小时数为7589 h，主风向较为显著，风能分布集中，湍流强度处于中等水平。龙口海洋站附近区域风能资源丰富，各项气象条件建设风电场的要求，适宜发展风力发电。关键词：风能资源；风功率密度；风能频率；湍流强度

在再生资源中，风能的作用越来越受到人们的重视。风能资源作为一种重要的清洁型可再生能源，既能减少环境污染又能节省煤、水等资源，具有很高的环境价值。为了保护环境，中国逐年增大新能源发电的比例，预计到 2020年中国风电机组总装机容量将达到3 000万kW[1]。

中国风力资源居世界首位，通过对风能资源状况的勘测调查，估算得到中国风能理论可开发总量为 32.26亿 kW，实际可开发利用的风能资源总量为2.53亿kW[2-3]。但是，中国的风能资源分布不均。沿海地区是我国最大风能资源区，已成为中国新能源开发利用的重要地区[4]。为了研究渤海沿岸莱州湾海区的风能资源状况，本文对位于该海区的龙口海洋站的风能资源进行了分析与评价，为进行该地区风能开发提供科学依据。

1 龙口海洋站

龙口海洋站所处区域属于温带季风型气候，受季风影响显著；因受海洋影响，气候变化较平缓。龙口海洋站位于渤海莱州湾东岸[5]，地处山东省黄县龙口镇，其地理坐标为（37°41′N，120°13′E）。本站始建于1959年，1965年后资料比较完整。海洋站在龙口镇西偏北11 km、屺姆半岛西北端的高角上，东距屺姆山（高54.5 m）300 m。气象观测场海拔高度24.2 m；风速器离地高度10.9 m。本文在进行风能资源分析与评价时，利用了龙口海洋站1995年7月至2008年12月间的逐时的风速、风向等气象资料。

2 风能资源分析与评价

2.1 风能参数的计算方法

目前，计算某一地区的风能资源，主要使用该地区气象站离地面10 m高度上的逐时测风数据。在中国，一般认为年平均风速大于5 m/s，全年3.0～25.0 m/s风速出现5 000 h以上的地区为风能资源丰富区，具有较大的开发利用价值[6]。

本文进行风能资源的分析与评价是根据《风电场风能资源评估方法》[7]（GB/T 18710-2002）中指定的处理方法和《全国风能资源评价技术规定》[7]（发改能源[2004] 865 号）中的相关技术规定进行的。其中，风能资源评估参数主要包括：风能方向频率、风速频率、有效小时数、风功率密度、风能密度、湍流强度等。

2.2 风能资源分析与评价结果

依据上述的统计、分析和计算方法，针对收集到的历史资料特征，利用1995年7月－2008年12月期间的逐时风速、风向资料得到各项评估参数。根据1995－2008年间的平均风速可知3个代表年分别是：2005年为平均风速年，1997年为最大值年，2007年为最小值年。

图1 历年年平均风速变化曲线图（1974－2008年）Fig. 1 Variation of the annual mean wind velocity, 1974-2008

2.2.1 风速 1974－2008年间的历年年平均风速见图1，龙口海洋站累年平均风速为6.4 m/s；年平均风速呈现明显的“区间”现象，20世纪70年代，风速较小，均不超过5.2 m/s；80年代风速逐渐增大，平均风速最大达到了7.6 m/s；90年代之后风速趋于平稳，分布在6.4～7.2 m/s之间。可见，计算风能参数的1995年7月－2008年12月属于平稳大风速阶段，平均风速为6.8 m/s。累年平均风速的年变化和日变化如图 2、3所示，年变化较为显著，1－5月和10－12月的平均风速相对较大，月平均风速的最大值出现11－12月份。季节变化显著，夏季平均风速明显偏小，其他3个季节风速较大。但是，即使在平均风速最小的7月份，风速也超过了5.6 m/s。

图2 风速年变化曲线图（1995－2008年）Fig. 2 Annual variation of wind velocity, 1995-2008

图3 风速日变化曲线图（1995－2008年）Fig. 3 Daily variation of the wind velocity, 1995-2008

图4 年风向玫瑰图（1995－2008年）Fig. 4 Rose map of the annual wind direction, 1995-2008

总体可知，1995年7月－2008年12月风速的平均日变化不大，变幅在0.8 m/s以内，0－12时的风速大于 13－23时的风速，即上午的风速大于下午，白天的风速大于夜间。尽管夜间风速相对白天较小，但平均风速也超过了6.3 m/s。

2.2.2 风向 据龙口海洋站多年的气象资料，该地区全年最多风向主要出现在NE和S两个方向[4]。累年（1995－2008年）风向频率分布见图4。累年风向分布出现2个接近相反的主风向，即NE和S方向，这与之前的统计资料是相同的，2个风向发生频率之和达到37%以上。

龙口海洋站受季风影响，风向频率分布呈现显著的季节变化。冬、春季节东北风偏多，夏、秋季节南风偏多。尤其在 4－6月份，南风的强势特别显著，发生频率会超过30%；从8月份开始，偏北向的风发生频率逐步增加。

表1 风功率密度等风能参数的统计计算结果（1996－2008年）Tab. 1 Results of wind power density and the other wind energy parameters, 1996-2008

2.2.3 有效小时数、风功率密度 目前通用的标准：年平均风功率密度大于200 W/m2为极丰富区，150～200 W/m2为丰富区，100～150 W/m2为较丰富区，50～100 W/m2为一般区，小于50 W/m2为贫乏区5个区域标准。龙口海洋观测站历年风功率密度见表1，1996－2008年间的年风功率密度均大于300 W/m2，达到了6级或以上，最大值为1997年的441.4 W/m2，所以，龙口海洋站附近区域的风能资源非常丰富，属于极丰富区。

1996－2008年平均各月的风功率密度变化见图5，可见：对应于6－8月份偏小的风速（图2），风功率密度也偏小，最小值在 200 W/m2附近，风功率密度等级可达3级。对应于1－5月份和9－12月份较大的风速（图2），风功率密度也较大，均超过300 W/m2，最大值可达600 W/m2以上。

由 1996－2008年间平均风功率密度的日变化（图6）可以看出， 风功率密度的日变化较小，分布于325～425 W/m2之间，对应于风速的日变化特征（图3），表现出上午大于下午、白天大于夜间的现象。但是，即使是1995年7月－2008年12月夜间，平均风功率密度等级也超过337 W/m2，达到了6级，依然是风能丰富时段。

图5 风功率密度年变化曲线图（1996－2008年）Fig.5 Annual variation of the wind power density, 1995-2008

图6 风功率密度日变化曲线图（1995－2008年）Fig.6 Daily variation of the wind power density, 1995-2008

2.2.4 风速频率与风能频率分布 通过对各级风速和风能出现频率以及全年风速和风能频率分布的统计分析，3.0～25.0 m/s有效风速的出现频率占 93.0 %，3.0～25.0 m/s风速的风能出现频率占98.5 %，1995－2008年平均年风速和风能频率分布见图7。历年年有效小时数见表1，1996－2008年间平均年有效风速小时数（3.0～25.0m/s风速年出现次数）为7 589，1997年最多，达到7 786。这也表明龙口海洋站附近地区风能资源极其丰富，可利用的有效风能所占比例也非常高。

图7 平均年风速和风能频率分布直方图（1995－2008年）Fig.7 Mean frequency distribution of wind velocity and wind energy,1995-2008

图8 年风能玫瑰图（1995－2008年）Fig.8 Rose map of the annual wind energy, 1995-2008

2.2.5 风能方向分布 对应各年、各月的风能与风向的发生频率相似，也是全年主要集中在NE和S2个方向，但东北风向的风能所占比例超过南风，1995－2008年平均的年风能方向分布见图8。从各月的风能玫瑰图风能优势风向分布来看（表2），以平均值年（2005年）为例，4－7月份的南风的风能占绝对优势，6月份达到最大，为52.6 %，以2007年6月为例，S向风能在全方位风能占56.8%；1－3月份、8－12月份偏北东北向的风能占绝对优势，以1997年11月为例，NE向风能在全方位风能中的比例高达72.4 %。

表2 各月风能优势风向及该风向风能所占比例（1996－2008年）Tab. 2 Dominant direction and the proportion of the wind energy in that direction every month, 1996-2008

图9 代表年和累年平均的湍流强度年变化曲线图Fig.9 Annual variation of the mean turbulent intensity in accumulative and representative years

图10 代表年的风速概率密度分布图Fig.10 Probability density distributions of the wind velocity in representative years

2.2.6 风湍流强度、威布尔分布参数 风场的湍流强度特征对于评估风能资源的可开发性很重要，因为它对风力发电机组性能有不利影响，主要是减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风力发电机组。本文利用逐时的风速资料计算得到了历年的湍流强度（见表1），以及代表年和多年平均湍流强度的年变化（见图9）。结果表明，龙口海洋站附近地区湍流强度不大，累年平均的湍流强度为0.15，属于中等程度，历年的湍流强度值分布在0.16～0.21之间；3个代表年各月的湍流强度主要集中分布在0.1～0.2之间，仅在1997年8月份超过了0.25。

2.2.7 其他特殊气候现象 根据龙口海洋站多年的气象资料统计，该地区累年每年平均发生雷暴23.4次，以7月份发生次数最多；统计时段内，该地区没有发生过沙尘暴现象；其他破坏性天气出现也很少。从气象条件分析，该地区比较适合发展风力发电。

3 风能资源评价结论

依据中国风能资源评估的参考依据，龙口海洋观测站1995年7月－2008年12月间的资料及计算结果显示：该区域的累年平均风速为6.4 m/s；有2个方向接近相反的主风向，NE方向和S方向。 1995－2008年的年平均风功率密度为377 W/m2，历年的风功能密度都很大，均大于 300 W/m2，达到 6级或以上，可以很好地应用于并网风力发电；年平均有效风速小时数达到7 589，3.0～25.0 m/s风速的风能占到98%以上，可见该区域的风能资源非常丰富，可利用的有效风能所占比例也很大； NE风和S风为主导能量风向，NE方向的风能分布频率大于S方向；湍流强度集中分布在0.1～0.2之间，属于中等程度，适合风力发电机组运行。另外，根据龙口海洋站气象资料统计，该地区没有极端恶劣的气候环境，沙尘暴在历史记录中基本没有，每年发生的雷暴现象也比较少。

各项风能资源评价参数的结果显示，龙口海洋站附近海区风能资源丰富，特殊恶劣天气现象稀少，各项风力条件均达到了建设风电场的要求，该地区的风能资源具有一定的开发利用价值。

[1] 俞海淼, 周海珠, 忻闻. 崇明岛风力资源分析与评价 [J]. 可再生能源, 2008, 26(3)： 76-79.

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[8] 中国国家发展和改革委员会.发改能源[2004] 865 号 全国风能资源评价技术规定 [S]. 2004.

Analysis and assessment on wind energy resource at Longkou Marine Station

YANG Li-fen, ZHOU Ling, WANG Bin, HAO Yu

(Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecology and Environment and Disaster Prevention and Mitigation,North China Sea Data and Information Service, SOA, Qingdao 266033, China)

According to the “Methodology of wind energy resource assessment for wind farm” and the other related technological regulations, the wind energy resource at Longkou Marine Station is analyzed and assessed in this paper.The results show that during 1995-2008, the mean velocity is 6.8 m/s at 10 meters, and the mean annual wind power density is 377 W/m2and the mean annual effective time of wind velocity is 7589 hours. In addition, the main wind directions are dominant, and the distribution of wind energy is comparatively concentrative, and the turbulent intensity is medium. In conclusion, the wind energy resource around the Longkou Marine Station is abundant, all the meteorological conditions meet the request of the construction of wind farm, and it’s feasible to exploit the wind energy in this region.

wind energy resource; wind power density; frequency of wind energy; turbulent intensity

P736.23

A

1001-6932(2011)04-0409-05

2010-03-16；

2010-11-22

渤海海洋环境信息集成及动态管理技术示范应用（200905030）。

杨丽芬 ( 1983－ )，女，硕士，助理工程师。主要从事海洋数据资料开发及服务工作。电子邮箱：green-1983@163.com。