風能資源評估及微觀選址初步介紹講解：吳曉鵬目錄第一章風能資源評估綜述第二章風能資源評估第三章風電場微觀選址第四章工程實例第五章分析及總結第一章風能資源評估綜述引言

隨著化石能源的日益稀缺,全球環境的惡化,開發可再生清潔能源成為各國的能源目標。風力發電技術較成熟且可靠性高,它是開展最快的新型能源在風電場建設的可行性研究階段需要對擬建風電場進行風資源評估。評估的目的主要是為確定風電場的裝機容量和風力發電機組選型及布置等提供依據,便于對整個工程進行經濟技術評價。風資源測量和評估水平直接影響風電場選址以及發電量預測,最終反映為風電場建成后的實際發電量。風資源評估需要的根底資料風電場的風資源分析評估,一般除收集當地氣象站近期30年的常規氣象資料外,還應收集整理風電場場址處至少連續1年的風速、風向整編資料,且收集的有效數據不宜少于收集期的90%。故一般擬建風電場場址處都應設立觀測站進行1～3年的連續風速、風向觀測。數據驗證檢查風場測風獲得的原始數據，對其完整性和合理性進行判斷，檢驗出缺測的數據和不合理的數據，經過適當處理，整理出一套連續一年完整的風場逐小時測風數據。數據訂正根據風電場附近氣象站、海洋站等長期測站觀測數據，用相關分析的方法將驗證后的風電場測風數據訂正為一套反映風電場長期平均水平的代表性數據，即風電場代表年的逐小時風速風向數據。數據處理風資源評估一般需對觀測資料進行以下幾個工程的分析計算：1)風的日、月變化規律一般應挑出一個典型日和一個典型月,典型日逐時的風速變化能反映風的一般日變化規律,典型月逐日的風速變化能反映風的一般月變化規律。并繪制典型日的逐時及典型月的逐日變化柱狀圖。2)年風速風向頻率統計此工程的統計可按常規方法,根據統計結果繪制全年風向玫瑰圖及風速玫瑰圖。3)年有效小時數風機有切入和切出速度,切入速度一般為3m/s或5m/s,切出速度一般取25m/s或27m/s,從切入到切出之間的風速稱為有效風速。有效風速的范圍一般因風機的產地及功率而有所不同。統計出每年累計風速值在有效風速范圍內的小時數,然后將歷年值平均,即得年有效小時數。4〕各等級風速頻率將風速值按1m/s間隔劃分為假設干等級,統計各等級風速出現的次數,各等級次數除以各等級風速出現的總次數即為此等級風速頻率。根據統計結果繪制各等級風速頻率圖。5〕風能的計算風能的利用主要將它的動能轉化為其他形式的能,因此,計算風能的大小也就是計算氣流所具有的動能。按有效風速計算的風能密度稱為有效風能密度。在單位時間內以風速v穿過面積為S的風輪的總功率,即風能的功率為：W=1/2ρSv^3第二章風能資源評估1概述風能資源評估是整個風電場建設、運行的重要環節,是風電工程的根本,對風能資源的正確評估是風電場建設取得良好經濟效益的關鍵,有的風電場建設因風能資源評價失誤,建成的風電場達不到預期的發電量,造成很大的經濟損失。風能資源評估包括三個階段:區域的初步甄選、區域風能資源評估及微觀選址。2區域的初步甄選建設風電場最根本的條件是要有能量豐富,風向穩定的風能資源。區域的初步甄選是根據現有的風能資源分布圖及氣象站的風資源情況結合地形從一個相對較大的區域中篩選較好的風能資源區域,到現場進行踏勘,結合地形地貌和樹木等標志物在萬分之一地形圖上確定風電場的開發范圍。風電場場址初步選定后,應根據有關標準在場址中立塔測風。測風塔位置的選擇要選具有代表整個風電場的風資源狀況,具體做法:根據現場地形情況結合地形圖,在地形圖上初步選定可安裝風機的位置,測風塔要立于安裝風機較多的地方,如地形較復雜要分片布置立測風塔,測風塔不能立于風速別離區和粗糙度的過渡線區域,即測風塔附近應無高大建筑物、地形較陡、樹木等障礙物,與單個障礙物距離應大于障礙物高度的3倍,與成排障礙物距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上;測風塔位置應選擇在風場主風向的上風向位置。測風塔數量依風場地形復雜程度而定:對于較為簡單、平坦地形,可選一處安裝測風設備;對于地形較為復雜的風場,要根據地形分片布置測風點。測風高度要最好風機的輪轂高度一樣,應不低于風機輪轂高度的2/3,一般分三層以上測風。3區域風資源評估區域風資源評估內容包括:對測風資料進行三性分析,包括代表性,一致性，完整性;測風時間應保證至少一周年,測風資料有效數據完整率應滿足大于90%,資料缺失的時段應盡量小(小于一周)。根據風場測風數據處理形成的資料和長期站(氣象站、海洋站)的測風資料,按照國家標準?風電場風資源評估方法?(GB/T18710-2002)計算風電機組輪轂高度處代表年平均風速,平均風功率密度,風電場測站全年風速和風功率日變化曲線圖,風電場測站全年風速和風功率年變化曲線圖,風電場測站全年風向、風能玫瑰圖,風電場測站各月風向、風能玫瑰圖,風電場測站的風切變系數、湍流強度、粗糙度;通過與長期站的相關計算整理一套反映風電場長期平均水平的代表數據。綜合考慮風電場地形、地表粗糙度、障礙物等,并合理利用風電場各測站訂正后的測風資料,利用專業風資源評估軟件(WASP、WindFarmer等),繪制風電場預裝風電機組輪轂高度風能資源分布圖,結合風電機組功率曲線計算各風機的發電量。按照國家標準?風力發電機組平安要求?(GB184511-2001)計算風電場預裝風電機組輪轂高度處湍流強度和50年一遇10min平均最大風速,提出風電場場址風況對風電機組平安等級的要求。根據以上形成的各種參數,對風電場風能資源進行評估,以判斷風電場是否具有開發價值。Wasp計算結構圖1#0781風向、風能玫瑰圖圖2#0781塔70m威布爾曲線圖第三章風電場微觀選址風電場選址工作包括宏觀選址和微觀選址,是風電場建設的根底性工作。宏觀選址工作在前期規劃階段進行,結合當地氣象站的資料進行風資源評估,同時考慮電網、交通、地質等條件；微觀選址工作主要在設計階段進行,根據風電場風資源分布圖,同時結合各項限制條件確認每臺風機的機位,滿足業主和相關部門的各項要求,使整個風場具有較好的經濟效益。風電場微觀選址是風電場設計階段的主要工作,它涉及的因素較多,主要有風電場土地的性質、周圍村莊和建筑物的分布、當地環境部門的要求等。在充分考慮這些限制因素的情況,結合風電場風資源分布圖進行優化選址,在初步選址之后進行現場勘探定點,并確定最終布局。微觀選址重要性微觀選址的失誤可能會使工程投資增加，特別是在負責地形地貌條件下風電場選址更需要仔細研究。因此，在工程開始建設前必須認真細致的做好微觀選址工作非常必要。微觀選址主要工作風場建設前評估微觀選址進行的評估內容包括：產能評估：因風品味的不同，同樣的風速產量卻不會一樣風險評估：風況對設備的影響與危害設備選型：針對不同的風資源特性，選用適合的設備機位選址：優化機位，產能最大化，危害最小化微觀選址流程風數據整理和分析：初步優化機位(利用風資源數據及數字化地形圖)再優化機位〔根據經驗及現場微調〕最終機位布置圖〔機位平安評估〕計算投資技術指標〔可靠的產能分析、場地投資建設本錢、運行管理與效勞本錢〕確認工程收益經驗總結〔工程建成投產后的評估、總結，為下一工程做技術儲藏〕

微觀選址方法目前,微觀選址通常采用兩種方法，一種是線性方法，另一種是CFD方法：1、線性方法前期國際上較為流行的風電場設計軟件WASP及WindFarmer進行風況建模,建模過程如下:根據風電場各測站訂正后的測風資料、地形圖、粗糙度,利用滿足精度及高度要求的WindFarmer軟件的三個輸入文件,包括:輪轂高度的風資源柵格文件、測風高度的風資源柵格文件及測風高度的風資源風頻表文件。采用關聯的方法在WindFarmer軟件中輸入WASP軟件形成的三個文件,輸入三維的數字化地形圖(1∶10000或1：5000),地形復雜的山地風電場應采用1∶5000地形圖,輸入風電場空氣密度下的風機功率曲線及推力曲線,設定風機的布置范圍及風機數量,設定粗糙度、湍流強度、風機最小間距、坡度、噪聲等,考慮風電場發電量的各種折減系數,采用修正PARK尾流模型進行風機優化排布。根據優化結果的坐標,利用GPS到現場踏勘定點,根據現場地形地貌條件和施工安裝條件進行了機位微調,并利用GPS測得新的坐標,然后將現場的定點坐標輸入Windfarmer中,采用粘性渦漩尾流模型對風電場每臺風機發電量及尾流損失的精確計算。2、CFD方法計算流體動力學〔CFD〕是指借助計算機模擬實際流體，使分析者在沒有測量流體變量工具幫助的情況下，仿真和了解所給地點的流體流動。隨著風電的飛速開展，規劃場址開始從風能穩定、施工條件好的簡單地形向高湍流、施工難度大的復雜地形開展。以WAsP為計算引擎的風能資源評估軟件在處理復雜地形時，會增加計算結果的不確定性，特別是針對環境湍流強度比較大的工程，單臺風機綜合湍流強度最大值往往逼近風機的設計臨界值，此時應用以WAsP為計算引擎的風能資源評估軟件進行計算導致的誤差也許就會對風機的長期平安運行存在一定影響。在此條件下，應用于復雜地形的基于CFD的風能資源評估方法逐步應用于風資源評估工作當中。線性方法工作過程

CFD方法工作過程CFD為計算流體力學簡稱。計算流體力學或稱之CFD技術是通過計算機的幫助對流體進行模擬。CFD技術可以根據流體力學的規律進行模擬求解，將幾何區域分解為小的立方體空間〔即通常我們所說的網格〕，并在其中求解復雜的偏微分方程組〔N-S方程組〕。

CFD技術允許我們在沒有對特定地點風流變量實際測量的情況下對流體進行模擬并進而了解流體的相關屬性。

微觀選址原那么：保證風機平安性整體發電量最大如下：a)根據現場收集到的測風數據進行分析，先確定盛行的主導風向，然后根據風向和風能玫瑰圖，結合地形地貌特點，在滿足風機間距要求前提下充分利用有利于加大風速的地形，以發電量最大，尾流影響較小為原那么進行風機布局。從風能玫瑰圖分析，風力發電機組按垂直于主風能方向成錯列布置。風機行、列距分別按不小于5倍風輪直徑和3倍風輪直徑進行布置b)風電機組的布置應根據地形條件，充分利用風電場的土地和地形，考慮風電場的送變電方案、運輸、地質條件和安裝條件，力求電力電纜長度較短，運輸和安裝方便c)考慮風電場內建筑物、主干道路、輸電線路等對風電機組布置的約束。平坦地形的選址平坦地形可以定義為，在風電場去及周圍5公里半徑范圍內其他地形高度差小于50m，同時地形最大坡度小于3度；布置風力發電機組時必須避開障礙物的尾流區；在上風向和障礙物的外側也會造成湍流渦動區；平均風速由于障礙物的多少和大小而相應變化，此時地面影響必須嚴格考慮，如通過修正地面粗糙度等。復雜地形的選址山谷地形的選址由于受山谷風的影響，風將會出現明顯的日或季節變化。在谷底選址時，首先要考慮的是山谷走向是否與的當地盛行風向一致。因為山地氣流的運動，在受山脈阻擋情況下，會就近改變流向和流速，在山谷內風多數是沿著山谷吹的。然后考慮選擇山谷中的收縮局部，這里容易產生狹管效應使風提速，而且兩側的山越高，風也越強。另一方面，由于地形變化劇烈，所以會產生很強的風切變及湍流，在選址時應該注意。山丘、山脊地形的選址對山丘、山脊等隆起地形，主要利用它的高度抬升和它對氣流的壓縮作用來選擇風機安裝的有利地形。孤立的山丘或山峰由于山體較小，因此氣流流過山丘時主要形式是繞流運動。同時山丘本身又相當于一個巨大的塔架，是比較理想的風機安裝場址。在山丘與盛行風向相切的兩側上半部是最正確場址位置，這里氣流得到最大的加速。其次是山丘的頂部。由于背風面及山麓風速明顯降低，而且有強的湍流，應盡量防止在這些區域選定場址。復雜地形地貌的沿海風場應防止單純追求陣列布局規那么美，無視山地地勢的不規那么美，以及只關心主導風向風險，無視非主導風向的風險分析，而導致產量的損失及設備的損壞。風電機組的機位布置平坦的陸地及海面地形上布置機位時，在盛行風向上要求機組間相隔5-9倍風輪直徑，在垂直于盛行風向上要求機組間相隔3-5倍風輪直徑；風電機組具體布置時應根據風向玫瑰圖及風能玫瑰圖確定風電場主導風向,對平坦、開闊的場址，可以按照間距規那么，單排或多排布置風電機組,在多排布置時應呈梅花型排列，以盡量減少風電機組之間尾流的影響；在復雜地形條件下的風電場選址，可利用專業選址軟件對場址風能資源進行分析，尋找風能資源豐富，具有開發價值的布機點；確定機位選址后，利用不同的塔筒高度，合理的風機間距布置,才能滿足風場總體效益最大化的目標，同時滿足適當的條件限制。風電機組梅花型排列尾流效應示意圖1—風速廓線；2—湍流強度圖3江西老爺廟風電場WF微觀選址圖圖4澤岐風電場XE82風機布置圖第四章工程實例現以?江西老爺廟工程?為例,簡要說明基于CFD模型的WT軟件的操作流程：1、先對0770#、0773#、0774#、0781#、0782#五根測風塔數據進行分析整理，同時根據1：5000等高線地圖及場址地形地貌情況編輯帶有粗糙度標識的數字化地形圖。2、在要排布風機的區域內,利用1∶5000數字化地圖及粗糙度圖,進行場區內70米高度風能分布的定向計算。然后，結合五根測風塔實測數據分別進行單測風塔的綜合計算，考慮到各測風塔的實際情況再通過加權處理進行多測風塔的綜合計算，最終數值模擬出整個場址區域的風能資源分布圖。推算結果見圖1：圖5江西老爺廟風電場70米高度能量密度分布圖

圖6江西老爺廟風電場70米高度湍流強度分布圖

圖7江西老爺廟風電場70米高度入流角分布圖3、結合機型參數及場址風能資源分布情況，采用park尾流模型在openwind中進行風電場優化設計，并根據自己的經驗進行最終的調整布局。4、最后根據最終選址方案進行各風機參數的計算。第五章分析及總結根據對我國風電場運行情況的調查顯示:我國大局部風電場的年平均容量系數在0.21～0.24，有些風電場單機年平均容量系數甚至僅在0.16～0.18，并且目前許多風電場建成投產后實際的年發電量比預測值要低20%～30%，還有極少數風電場甚至低達！為什么會有如此大的差異呢?40%現有的相關國標存在假設干誤區，急需更新風能資源評估的計算方法與工程不適應有些工程條件復雜，如地形坡度較大，大氣熱穩定度非中性，以往普遍采用的WAsP并不適應此類工程，原因舉例如下：1、WAsP為線性模型，不能考慮流體別離，對地形坡度大于16.7度的風電場，存在一定的不確定性；2、WAsP默認大氣熱穩定度為中性，對于大氣熱穩定度非中性的工程，存在一定的計算偏差；3、尾流模型與實際工程不適應。測風塔在地圖上的標定位置與實際相差較大由于很多設計人員對坐標系統不了解，或者控制點方面出現問題，導致計算時設定的測風塔坐標與實際相差較大，本身對場址區域的風能資源數值模擬均基于測風塔的風況，假設測風塔基準點出現問題，將會導致計算結果出現一定程度的偏差。如康保風電場，設計院在預可研、可研階段一直認為測風塔在圖上的標定位置準確，計算也基于此坐標點，測風塔在圖上的位置為背風面的山坡上，離山頂尚有20m的高度差，但是我們經過去現場勘查發現，測風塔在山頂上，因此及時調整了坐標重新計算，前后的計算結果差距非常大，導致風機選型的結論截然不同，幸虧及時發現，否那么后果堪憂！現場風力數據測試時間過短，所使用的風力數據不具有代表性風電場建設之初，現場風力數據至少需要測試1～3年時間，同時還要獲得風電場附近氣象站30～50年風力數據，用于對現場測試的風力數據進行長期修正，以增強風場評估數據的可靠性。但是在我國，很多工程為了趕工期、追進度，業主往往對現場風力數據只測試1年，甚至更短，也不進行長期修正，從而造成了風場風能評估誤差的增加。平均風速的誤差每增加1%，風場風能的評估誤差就會增加3%。因此，風能評估人員在得到業主所提供的風力數據后，一定要認真整理分析，對漏測的時間段或測試異常的時間段的數據進行修正，以確保得到具有代表性的風力數據，作為風場建設的測算根底。風電場地表粗糙度定義存在誤差，增加了風能評估的誤差風電場地表覆蓋物特征會對風電場風能的輸出產生重要的影響。森林、草原、農田等不同地表狀態的外表粗糙度有很大區別，而我們在計算機上建立模型的時候，由于手里地圖等資料精度的影響，常常會產生誤差。等高線數據不夠精確，造成風能評估的誤差等高線的準確是整個風場模型準確的前提條件，而現在很多設計院和業主使用1：50000或1：5000航拍地圖，將其掃描到評估軟件后對不規那么等高線進行手動調整。這一過程往往會產生較大的誤差，甚至到達30m以上。如此大的誤差，尤其對于地形復雜的風場，造成了整個模型從根本上發生錯誤。因此，建立等高線模型之后選址人員仍需要到現場進行實地考察，尤其是測風塔等關鍵點。測風儀沒有定期進行校正測風儀屬于高精度儀器，如果不定期進行校正，誤差就會逐步增加。而很多業主安裝了測風儀之后就只是等待下載數據，無視了對測風設備的定期維護，從而影響測量數據的可靠性。沒有考慮現場空氣密度對發電量的影響現場空氣密度下的功率曲線是風電場發電量準確評估的重要條件。空氣密度和風功率密度成正比例關系，但標準空氣密度下的風機功率曲線和不同空氣密度下的風機功率曲線并不是成正比關系。雖然有些風能評估軟件在建立模型時已經考慮了現場空氣密度對風能的影響，但往往只通過簡單的比例關系進行折減，從而影響到了風場最終發電量的評估。過分依賴軟件的自動生成功能現在的風能評估軟件大多具有自動布機方案的功能，即設計人員輸入風場裝機容量、風機臺數、風機間間距等參數后，軟件會自動生成布機方案，設計人員往往過分依賴此功能。但是由于軟件算法的局限性，軟件的最終優化方案并一定是最正確方案，需要根據經驗及實際情況進行適當調整，很有可能調整后的方案優于軟件最終優化方案。風機定位一定要考慮實際吊裝及風機根底施工的可行性，以免給將來的工程執行造成隱患在微觀選址時一定要考慮將來工程執行中風機的實際吊裝及根底施工的可行性，要給吊機和根底施工留出施工位置。通常情況下，MW級風電機組根底至少需要一個20X20m的施工平臺和40X40m的吊裝平臺，所以在地勢起伏較大的山地地區，一定要考慮周全，不要給將來工程執行造成麻煩。特別在丘陵地區，更應該注意，堅決防止根底坐落在回填土上甚至根底外露的情況。根底的有效深度一定要滿足設備廠家技術要求，以防止風機發生傾斜甚至倒塌的情況出現。機位施工前后地形的變化帶來的影響某些機位處地形條件復雜，施工前后地形變化很大，但是計算用的地圖為施工前的地圖，這也會導致一定的計算偏差，建議設計人員處理坡上機位時要特別注意，充分考慮由此帶來的計算偏差及不利影響！如我公司沿海某工程某機位，機位施工前后地形變化很大，形成了前面是懸崖，后面是峭壁的殘酷地形，對風機的出力及壽命極為不利！

折減系數取得偏大由于風電在中國起步不長，缺少工程后評估經驗，設計人員在折減系數取值時往往采取過大的值，使得與實際存在較大偏差。

總結

微觀選址完成后需要定期對風場評估結果進行核對，找出其中誤差的原因，為將來新的工程積累經驗各個風場工程的地理地貌、風資源狀況不盡相同，因此，微觀選址也需要不斷在實踐中累積經驗，以在新的工程中吸取教訓，不斷減小誤差，讓風機的效能得到最好的發揮。微觀選址需要注意的問題注意測風塔的位置盡量能代表預估機位的風資源狀況，保證測風數據的真實準確性；工程時間安排上保證微觀選址具有屢次校對核實的時間，防止來去匆匆，只能紙上談兵式的進行簡單粗糙的分析；防止對封基平安性評估不夠，過早確定裝機容量，有時造成裝機容量過大，減少工程收益，增加財務風險；防止只重視眼前產能，不關心平安，無視風機全壽命周期的風險評估，導致后期運行管理維護費用增加及設備壽命減少。湍流對風電機組的危害：控制系統不能及時跟進對機械及電氣進行調整；將減少輸出功率及向電網輸送大量諧波，使輸出電能的質量嚴重惡化，嚴重時引起電網故障；湍流將引起葉片不平衡及振動，增加疲勞負荷，零部件頻繁更換；使得風電機組的設計使用壽命大大縮短，嚴重時出現極端載荷導致風輪過速飛車、葉片折斷、塔筒傾折等設備致命性損壞事故。高湍流應對措施優化風機布局，擴大上風向及周圍機位與該機位的間距，同時上風向機位盡可能避開主導風向位置，減少其他機組尾流的影響；將原方案的機位移到風速可能會稍低，但湍流強度適宜的位置由于氣流受地表粗糙度影響，一般而言，隨著高度的增加氣流越穩定，計算出湍流強度符合要求的某個高度，確認輪轂高度，在允許的情況下提高塔筒高度將該位置機型換成湍流強度級別更高的風電機組風電機組進行扇區管理假設以上幾點放昂發仍不能滿足條件，必須取消本安裝機位微觀選址對于廠家的重要性風電場選址的好壞，對風力發電預期出力能否到達有著關鍵的作用，風電場場址還直接關