长三角嘉定昆山太仓毗邻区风能资源评估

孔 莉 洪崇杰 乐 平 仇中柱＊ 王亚霖 魏丽东

1.上海市嘉定区气象局

2.上海电力大学能源与机械工程学院

3.上海虹桥商务区能源服务有限公司

4.上海博阳新能源科技股份有限公司研究院

0 引言

2019年5 月，习近平总书记主持召开中央政治局会议，审议《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》。长三角经济总量约占全国的四分之一，年研发经费支出和有效发明专利数约占全国三分之一，进出口总额、外商直接投资、对外投资约占全国三分之一。目前，以上海为中心的江浙沪一些毗邻的地区，主要包括嘉定昆山太仓毗邻区、青浦吴江嘉善毗邻区等五个地区。这五个毗邻区的区位、交通、产业、人文等方面联系日趋紧密，可以说都是“长三角一体化发展示范区”的预备队或有力竞争者。嘉定昆山太仓毗邻区将依托国家战略，推进能源电力等基础设施、科技创新、产业协同、生态环境、市场体系等合作项目建设。嘉定昆山太仓毗邻区主要由上海嘉定区、江苏苏州昆山市、江苏苏州太仓市组成。行政区域面积为2 205.64 km2。目前区域常住人口为394.86 万人，户籍人口为197.93万人，人口密度为1 790人/km2，经济总量6 191.32亿元。嘉定是上海和江苏地理最近、合作最早、经济社会发展实力较强的行政区。安亭、花桥在长三角各城镇中率先实现一体化发展已具备良好基础。目前，三地已着手联合打造“嘉昆太协同创新核心圈”等。可再生能源的高效利用将是嘉定昆山太仓毗邻区基础设施建设及保持生态环境国际水平的重要保障。

众所周知，风力发电状况直接影响我国风力发电企业经济性的一个重要影响因素[2]。风能发电资源的合理评估利用是我国建设大型风电场取得成败的关键所在[3]。随着大型风力发电生产技术的不断完善，根据国内外大型商用风电场的研究开发以及建设利用经验，为有效保证大型风力发电建设机组的高风能效率稳定正常运行，达到资源预期利用目的，风电场建设场址必须完全具备并拥有较丰富的大型风能发电资源[4]。由此，对大型风能和水资源开发进行详细的实地勘测和科学研究工作是在启动大型风力发电项目前必须认真规划完成的一项工作。

1 测风数据的获取

本文中的测风数据是由上海市嘉定区国家一般气象站提供，主要包括近五年时间内逐时风力（风速、风向）统计资料。气象站的基本信息见表1。采集到的风向分成16 个方向，风速精确到0.1 m/s。

2 风资源评估的几个主要指标因素及计算方法

对某一大型地区场所进行大型风能综合资源利用评估，是为整个风电场所的建设项目前期所必须进行的重要评估工作。我国风能系统资源利用评估时需要综合考虑的几个主要技术指标及影响因素:平均风速、风功率密度、风向频率、风速频率、年风能可利用时间[5]。

表1 嘉定国家一般气象站基本信息

2.1 风速换算公式

从理论上而言，风速随高度的变化规律与底部的垫面性质、当地的大气层结等因素有关，根据气象学知识，可采用指数率和对数率公式进行计算[6]。根据上海市沿海若干个测风塔实测数据进行拟合分析，证明指数率公式更适合长三角地区风速随高度变化的计算要求。风速随高度换算的指数率公式可表示为[7]：

2.2 平均风速

2.3 风功率密度计算

风功率密度的定义是通过单位横截面积上的风所含的能量，国际单位制以W/m2表示。风功率密度是表征风携带能量大小的重要因素。风功率密度和空气密度的大小呈正比关系，而空气密度则取决于自身的气压和热力学温度[8]。因此，不同地点、不同季节、不同温度条件下的风功率密度是不同的。一般而言，海边山区海拔低，大气压力高,空气密度大。高山地区海拔高，大气压力低，空气的密度小。但是，如果在高山地区风速大,气温低，仍然有机会保持有相当的风资源开发潜力。因此,空气的密度大，风力也大，则大规模风能利用潜力最好[9]。

某地的风能发电资源利用状况主要是由当地的自然地理位置、季节、地形等气候、环境特点等所决定。目前通常广泛采用的两种评价我国风能资源综合利用潜力的主要评价指标分别是有效风功率密度和有效风速时数。有效风速一般是指3 m/s～20 m/s区间的风速，有效风功率密度是根据有效风速范围内的风速所计算的风功率密度。

风功率密度的计算公式如式（3）[10]

在仅知道当地海拔高度的情况下，计算平均空气密度的公式如式（4）[7]：

3 风能资源评估

3.1 原始风速

近5年原始风速数据见图1。

3.2 平均风速

利用公式（1）和（2）计算了距地面10.5 m 高和90 m高度处的近5年的年平均风速，近5年90 m高度处的月平均风速见表2和表3。

图1 10.5 m高度原始风速数据

表2 年平均风速

表3 90 m高度月平均风速

长三角嘉定昆山太仓毗邻区近五年逐年各月的平均风速见图2。从图2 中可见，毗邻区90 m高度的平均风速，主要分布在 2.5～4.5 m/s 之间，同年各月的风速差异较大，春季和夏季的风速略高。90 m 高度年平均风速为3.335 m/s。全年三、四、五月份的风速相比其他月份较高，其中三月份高达3.7 m/s，十一月和十二月风速较小，低于年平均风速，其中十一月份的平均风速低于有效风速。

图2 90 m高度五年逐月平均风速

3.3 风向频率

风向原始观测数据是用0～360°角度制来表示风向，风向符号和风向度数对照见表4。将在一定角度范围内的度数转换成对应的风向符号。在分析处理风向原始数据时发现仅少数典型风向统计数据有缺失,在进行统计计算风向缺失频数和分析计算缺失概率时将这些数据缺失作为风向的统计数据暂不完全计入在内。根据历年风向方位观测数据资料,按16个风向方位分别统计风向观测各个时段内(年、月)各时段风向观测出现的时间小时数,除以总的风向观测时间小时数即为各时段风向出现频率[6]。

表4 风向符号和风向度数对照表

16 个风向的频率分布玫瑰图见图3。从图3中可知，南东南方向SSE和东东北方向ENE的风频率较大，东东北方向风向频率高达12%，因此，可认为东东北方向即ENE为主导风方向。

图3 90 m 高度年平均风向频率/（%）

3.4 风速频率

以1 m/s 为一个观测风速梯度区间，统计了几个年度观测风速图序列中每个不同风速梯度区间内不同风速测量值出现的不同频率。每个风速强度区间的一个数字分别代表中间的数值[11]。

图4 表示90 m 高度近五年风速区间的频率分 布 。 从 图 中 可 以 看 出, 2.5～3.5 m/s 的 风 速年分布最大，占到总比例的20%以上。其次是2 m/s。同时与3 m/s 相邻风速区间内是风速分布最为集中的区间。对于12 m/s 以上的风在近五年的时段内中发生次数较少。因此90 m高度主要能利用的是3～12 m/s风速的风力资源。

图4 90 m高度全年风速频率

3.5 有效风时数

不同高度风速在3 ～20 m/s之间的累计小时数见表5 所示，由表5 可见，90 m 高度年风能可利用小时数为4 640 h。

表5 不同高度年有效小时数

3.6 风功率密度

评价一个地区的风能资源状况的重要指标是有效风时数和风功率密度[12]。其中风功率密度又可以分为平均风功率密度和有效风功率密度，平均风功率密度值是根据五年间所有平均风速密度对应的所有功率测量密度进行计算时所得到的风平均值，而有效风功率密度值是在有效风速区段3～20 m/s 速度范围内计算求得的风功率密度的平均值。两者计算如式（5）和式（6）[13]。

将数据处理结果中的有效风速以1 m/s进行划分，即3.5～4.5 m/s，4.5～5.5 m/s，……最后区间划分到14.5～15.5 m/s。各个区间的平均风速经计算后如图5所示。

图5 90m高度各风速区间内的平均风速

利用公式可以分别求得10.5 m处和90 m处的年平均风功率密度和年有效风功率密度，见表6。

表7 是风能区划标准，该表根据利用年有效风能密度并利用年平均风速不小于3 m/s 的大风的持续累积利用小时数将全国风能区分为4 个区。根据计算结果90 m高度的年平均风功率密度和年有效风功率密度均处于“风能可利用区”的范围内，分别为 50.07 W/m2和 89.95 W/m2（考虑到风速换算公式中风切变系数取值为0.19，90 m 处风速可能会与实际结果存在一定偏差），但是90 m处风能年有效小时数高达4 640 h，按照标准表属于较为丰富区。

表6 10.5 m和90 m高度处风能密度

表7 风能区划标准

4 结论

对长三角嘉昆太毗邻区近5 年气象数据进行了计算分析，发现该区域的有效风功率密度为89.95 W/m2，按照风能区划标准处于风能可利用区；年有效风力时数为4 640 h，按照风能区划标准处于风能较丰富区，说明该地区的风能资源处于较丰富区和可利用区之间。ENE（东东北方向）和SSE（南东南）为该地区全年出现频率最高的两个风向，在风电场址和风力发电机布置时应根据两个主要风向进行优化设计。本文中风速随高度的规律根据经验选定了指数公式，指数也基于长三角嘉昆太毗邻区的地貌特征结合实际经验取值0.19，尚有一定的不确定性，可作为预可行性研究。建议在本文分析的基础上，后续需要建立测风塔，实测至少1个完整年度的风力资料，根据实测风能数据才能准确评估风力发电项目的可行性。