风电场的建立与张家口风速风向的相关分析

霍丽芳，周彦丽，李彩娟

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市气象局，河北 张家口 075000)

风电场的建立与张家口风速风向的相关分析

霍丽芳1，周彦丽2，李彩娟1

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市气象局，河北 张家口 075000)

将张家口近年风电装机容量和历年气象数据结合在一起，研究风电场建立与风速、风向的相关性问题。结果表明风电装机容量与风速之间不具备显著的相关性，与风向之间有一定的相关性。

装机容量;风速;风向;相关性;玫瑰图

1 引 言

风能是一种重要的可再生能源。张家口市地处河北省西北部，其典型的气候特点是“风力大”，具有非常丰富的风能资源。风力发电不消耗一次性能源，不污染环境，建设周期短，装机规模灵活，占地少，

对土地要求低，发电方式多样化，具有很高的环境价值和广阔的发展前景。在可再生绿色能源开发利用中，风力发电技术最为成熟，已成为当前世界上增长最快的能源，目前，中国正在逐年增大新能源发电的比例，积极推进风电项目建设。预计到2020年全国风电机组总装机容量将达到3 000万kW。因此，近年来张家口市抓住国家鼓励清洁能源发展的良好机遇大力发展风能开发。截至目前，全市已建成风电场87个，预计2015年，风电装机容量将达到700万KW以上(表1)，成为华北重要的新型能源产业基地。同时，随着风能资源的开发利用，人们也开始关注风电场对环境和气候的影响。有些学者研究分析了风电场对气候变化的可能影响，提出了一些值得重视的问题。本文将张家口近些年风电装机容量和历年气象数据结合在一起，重点研究风电场的建立与风速、风向的相关性，并得出相应结论。

2 风电场对张家口风速变化的影响分析

图1是1990-2013年张家口市四季平均风速的变化。由图1可以看出，四季平均风速的年代际变化规律与年平均风速基本一致。

图2和图3是2005-2011年张家口市年平均风速和四季平均风速的变化。从图2可以看出，2005-2011年，张家口市年平均风速整体呈递减趋势，6年间的递减率约为0.019 m/s·a-1。由图3可知，2005-2011年，除冬季平均风速呈递增趋势外，春、夏、秋季张家口市平均风速的变化与年平均风速的变化趋势基本一致，均呈递减趋势。其中秋季平均风速减小最明显，六年间的递减率约为0.049 m/s·a-1。

2005-2013年，张家口市的风电台数由53台快速增加至4 265台，风场规模逐渐扩大。去掉台站迁移原因，2005-2011年，张家口市年平均风速的变化与本市风电台数和规模呈一定负相关关系，年平均相关系数为-0.42，但并未通过显著性检验。四季中，秋季的相关性最好，相关系数达到-0.92，并通过了显著性水平为0.01的相关性检验。风电场的建设可能是造成2005-2011年张家口市风速略有减小的原因之一，但其中仍存在很多不确定性因素，大气环流的改变、全球温度的变化、极端天气的影响，以及城市化、植树造林等人为改变的作用都可能引起张家口市风速的变化，需要在以后的工作中进行更严谨全面的研究。

3 风电场对张家口风向变化的影响分析

图4是1990-2013年张家口市年平均风向变化。由图4可以看出，张家口市的主导风向是NNW，近20年的频率约为37.55%，其次为NW、ESE和SE，频率分别为16.92%、15.88%和6.26%。

图5a-d是1990-2013年张家口市四季平均风向的变化。可以看出，张家口市春季主导风向是NNW，近20年的频率约为32.16%，其次为ESE、NW和WNW，频率分别为19.29%、18.52%和7.61%。张家口市夏季的主导风向是ESE，近20年的频率约为28.53%，其次为NNW、SE和NW，频率分别为22.73%、11.73%和8.70%。张家口市秋季的主导风向是NNW，近20年的频率约为44.69%，其次为NW、ESE和WNW，频率分别为17.08%、11.03%和7.46%。张家口市冬季的主导风向是NNW，近20年的频率约为50.97%，其次为NW、WNW和N，频率分别为23.57%、7.55%和6.53%。

图6是2005-2011年张家口市NNW、NW、ESE和SE风向频率的变化。由于NNW、NW、ESE和SE 4种风向频率共占张家口市全部风向的76.61%，因此本文选取这四种风向分析其随时间的变化及风电场对风向的影响。

由图6可以看出，张家口市的春、秋、冬三季的最大风向NNW频率在2005-2011间呈明显的下降趋势，下降率约为2.4%·a-1，与年平均风速的减小呈较好的对应关系。夏季的主导风向ESE频率在2005-2011年间同样呈下降趋势，但下降率较小，约为0.69%·a-1。NW和SE方向所占的频率在这六年间略有上升。

2005-2011年，最大风向NNW频率的变化与本市风电台数的增加呈负相关关系，相关系数为-0.81，通过了α=0.05的显著性水平检验，风电规模的不断扩大在一定程度上影响了本市风向的变化，可能会引起最大风向频率的减小，而最大风向频率的减小是年平均风速减小的原因之一。

由于风能与风速的三次方成正比，所以伴随风速的下降和风向的改变，风能下降将更明显，这是在今后风电场进行投资时必须要考虑与防范的风险之一。

4 结 论

研究表明，风电装机容量与风速没有显著的相关性，分析认为风电场的建设可能会造成近些年张家口的风速略有减小，但还存在很多不确定性因素，例如大气环流的改变、全球温度的变化、植树造林等都可能引起张家口市风速的变化。所以，“张家口的风电场偷走了北京的风，该为北京的雾霾负责”的说法是不科学的。另外，分析得出风电场规模的不断扩大在一定程度上改变了张家口的风向，具体原因需要在以后的工作中进行更严谨全面的研究。

[1]赵宗慈,罗勇,江滢,等.风电场对气候变化影响研究进展[J].气候变化研究进展,2011，(07):400-406.

[2]任国玉,张爱英,王颖,等.我国高空风速的气候学特征[J].地理研究，2009，28(06)：1584-1592.

[3]江滢,罗勇,赵宗慈,等.近50年中国风速变化及原因分析[A].中国气象学会.中国气象学会2007年年会“气候变化分会场论文集”[C].北京：中国学术期刊电子杂志出版社，2007:80-89.

[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

Correlation Analysis of Wind Farm Construction and Wind Velocity in Zhangjiakou City

HUO Li-fang1,ZHOU Yan-li2,LI Cai-juan1

(1.Hebei University of Civil Architecture and Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000,China;2.Zhangjiakou Bureau of Meteorology,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

The correlation between wind farm construction and wind velocity has been studied using combined meteorological data and installed capacity in Zhangjiakou in recent years.The results show that the installed capacity and the wind speed do not have significant correlation,but has a certain correlation between the wind direction.

installed capacity;wind speed;wind direction;correlation;rose map

2013年河北省科技计划项目：“风能转化对张家口地区风向、风速影响分析”(13274218)

霍丽芳(1979-)，女，副教授，河北建筑工程学院，硕士，主要研究方向为应用数学。

P 412.16

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.06.015

来稿日期：2015-09-22