东海大桥海上风能资源分析-论文.doc

东海大桥海上风能资源分析

摘要：风能的利用是新能源领域的重要组成部分，也是当今世界新能源开发技术中最为成熟的发电方式之一。本文主要从气象风能资源和场址区风资源特性两个方面为依据，对中国首个海上风电场上海市东海大桥风电场的风速、风向和风能频率分布等进行统计和分析，以对今后其它海上风电项目提供参考。
关键词：海上风电，风能资源，东海大桥

一、前言
风力发电不消耗矿产资源，不排放污染物，为当前世界新能源开发领域最为成熟且最受欢迎的发电方式之一。研究数据表明，海上的风速要比陆地上快20%，发电量增加70%，利用海风发电比陆上风电场的发电效益更高。根据中国气象研究中心的估计，陆上可开发的风力资源若配合具潜力的产电容量，可达253百万千瓦(GW)，而海上风力资源更能进一步提供750百万千瓦(GW)的产电量。
海上风电场一般都在水深10米、距海岸线10公里左右的近海大陆架区域建设。与陆上相比，建设成本较高，技术难度大，而优点在于海上风电场不占用宝贵的土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风能资源更为丰富，而且运输和吊装条件优越，风电机组单机容量更大，年利用小时数更高。目前，海上风电机组的平均单机容量在3兆瓦左右，最大已达6兆瓦，风电机组年利用小时数一般在3000小时以上，有的高达4000小时左右。
上海市位于东亚季风盛行区，受冬夏季风影响，风能资源较为丰富，尤其是近海区域，海域开阔、障碍物少，具有良好的风能资源开发利用价值。根据上海市南汇、崇明、奉贤等气象站资料统计，上海地区的风速在东部沿海及长江口地区最大，等值线密集区位于沿海（江）地区并和海（江）岸带平行，风速在水陆交界处变化最为剧烈，近海水面上风速可达6m/s以上。根据风电场场址区东海大桥试桩平台测风塔测风资料推算海上风电场场址区域风机轮毂高度年平均风速约8.6m/s，具有良好的风资源开发前景。东海大桥海上风电场距离临港新城海岸线6公里至14公里，紧靠东海大桥两侧，可使用的海域面积达到40平方公里。一年中，海上风电场的有效风时达8450个小时，出现频率为96.5%，有效风能的出现频率更高达98.7%，远多于崇明东滩的陆上风电场。
  风能的利用是新能源领域的重要组成部分，而从目前来看，海上风能资源较为丰富，然而我们对海上风能资源的开发利用却刚刚开始，因此，本文从气象风能资源和场址区风资源特性两个方面为依据，对中国首个海上风电场上海市东海大桥风电场的风资源进行统计和分析，以对今后其它海上风电项目提供参考。
二、气象风能数据分析
上海市位于我国华东地区，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口。东海大桥海上风电场位于上海市东南、东海大桥东侧的上海海域。
东海大桥海上风电场所在地区位于北亚热带南缘的东亚季风盛行区。因受季风影响，本区冬冷夏热，四季分明，降水充沛。根据上海市南汇气象站（海岸站）、奉贤气象站、小洋山的金鸡门和观音山站（海岛站）及大戢山站、嵊泗站和岱山站（海岛站）等气象观测资料统计，考虑到以上气象观测点与场址处于同一小气候区域，气象观测点资料基本可代表场址区域气候条件，因此，场址区域采用如下气象要素：
－ 多年平均气温为15.8℃；
－ 极端最高气温37.5℃；
－ 极端最低气温-7.9℃；
－ 年平均雷暴日数为20.2天；
－ 多年平均雾日数为28.8天；
－ 多年平均热带风暴次数为3.6次/年（14m/s以上）；
－ 多年平均大风日数为22.4天/年（14m/s以上）；
－ 多年平均大气压为1016.2hPa；
－ 多年平均水气压为16.6hPa；
－ 多年平均相对湿度80%；
－ 多年平均降水量为1100.0mm；
－ 多年平均寒潮日数为3.6次；
－ 多年平均空气密度为1.221 kg/m3；
2．1 年平均风速变化
根据奉贤气象站1970年～2005年气象资料统计，其多年平均风速为3.3m/s，风速年际变幅在2.4 m/s ～4.0m/s之间，见图2-1。

通过对气象站1970年～2005年长系列风速资料分析发现，年平均风速呈逐渐减小的变化趋势，根据气象站所在地区近年来国民经济发展情况以及城市化发展的速度，气象站周围的环境不断地发生变化，障碍物和地面粗糙度逐年增加，其实测风速减小是必然的趋势。
2．2风速月际变化
奉贤气象站多年月平均风速变化见图2－2，由图可见，秋冬季9月～次年1月平均风速较小，在2.5～3.0m/s之间，2～8月平均风速较大，在3.0～3.4m/s之间，大风月为7月（3.4m/s），小风月为10月（2.5m/s）。

2．3风向频率
奉贤气象站多年各风向频率见表2-3和图2-3，由表和图可知，多年平均最多风向为SSE，即以杭州湾海风为主。根据2005年10月～2006年9月气象站风向频率统计，当地主风向为ESE、SE和N方向，见图2-3。
表2-3奉贤气象站多年各风向频率 单位：%
风向

N
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
频率
5
7
7
8
7
8
8
10
风向
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
NW
NNW
频率
5
2
2
2
3
7
7
6

三、场址区风资源特征值
风电场风力发电机组轮毂预期安装高度为95m，距岸6～13km，根据试桩平台测风塔95m高度代表年风资源数据，采用WAsP8.3软件推求海上风电场的风资源。下面通过风速、功率密度、风能频率、风向频率以及风能密度等特征量对该场址区进行分析。
3．1平均风速和风功率密度
a) 年平均风速和风功率密度
风电场代表年年平均风速为8.6m/s，年平均风功率密度为694.4W/m2。
b) 月平均风速和风功率密度
场址95m高度代表年大风月为7月（14.3m/s），小风月为1月（6.9m/s）；风功率密度最大值为7月（2538.6W/m2），最小值为1月（327.0W/m2）。全年各月风速和风功率密度年变化曲线见图2-6。
c) 日平均风速和风功率密度
场址区代表日最大风速出现在13时（10.2m/s），最大风功率密度出现在13时（1052.2W/m2）；最小风速出现在1时（7.7m/s），最小风功率密度出现在3时（484.6W/m2）。全年风速和风功率密度日变化曲线见图3-1。各月风速和风功率密度日变化曲线见图3-2。
3．2风速和风能频率分布
风速在3m/s～25m/s之间的出现频率占96.5%，有效风速小时数（3 m/s～25m/s）为8454小时；风速在3 m/s～25m/s之间的风能出现频率占95.0%；风速在3.5m/s～30m/s之间的出现频率占95.0%，年有效风速小时数为8320小时；风速在3 .5m/s～30m/s之间的风能出现频率占98.7%。风电场各级风速出现频率和风能出现频率见表3-1，全年的风速和风能频率分布直方图见图3-3。

表3-1风电场各级风速出现频率和风能出现频率表
风速（m/s）
风速频率(%)
风能频率(%)
0
0.4
0.0
1
0.9
0.0
2
1.9
0.0
3
3.6
0.1
4
6.3
0.3
5
8.7
0.9
6
10.9
2.0
7
11.2
3.3
8
10.1
4.4
9
9.7
6.1
10
8.2
7.0
11
7.1
8.1
12
5.7
8.3
13
3.9
7.3
14
3.0
7.2
15
2.4
7.0
16
1.7
6.1
17
1.2
5.3
18
0.9
4.6
19
0.7
4.2
20
0.5
3.3
21
0.3
2.2
22
0.3
2.4
23
0.1
1.4
24
0.1
1.8
25
0.1
1.5
>25
0.3
5.0
合计
100
100
3．3风向频率及风能密度方向分布
风电场主风向为NNW～NNE方向（占28.2%）和E～SSE方向（占35.4%）。风电场代表年风向频率见表3-2，风向玫瑰图见图3-4。风电场各月的风向玫瑰图见图3-5。
风电场风能最大值出现在SSE方向（占19.2%）。风电场代表年风能频率见表2-18，风能玫瑰图见图3-6。
表3-2 风电场代表年各风向、风能频率表
风向\站名
风向频率（%）
风能频率（%）
N
10.0
10.7
NNE
9.6
9.3
NE
7.0
5.2
ENE
5.8
2.6
E
9.2
7.6
ESE
8.3
6.6
SE
8.9
10.6
SSE
8.9
19.2
S
5.8
7.5
SSW
2.9
2.7
SW
2.4
2.1
WSW
1.5
0.9
W
1.9
1.6
WNW
3.3
2.9
NW
5.8
4.4
NNW
8.7
6.2
3．4场址区最大风速
上海市气候中心曾编制了《东海大桥海上风电场台风灾害性报告》，根据该报告成果，东海大桥海上风电场区域70m高度50年一遇最大风速为42m/s，并按照10m~70m内，每增加10m高度，风速增加1m/s结论推算，风电场预装轮毂高度95m处 50年一遇最大风速为44m/s。
图3-1

图3-2

图3-4
图3-3

图3-5

图3-6

四、结论
通过气象局的多年数据记录和测风塔测风数据分析，给出风电场场址风力资源综合评价如下：a) 场址区风能资源较为丰富, 场址区95m高度年平均风速为8.6m/s，年平均风功率密度为694.4W/m2。说明东海大桥风电场场址区风能资源很丰富，具有很高的经济可开发价值。b) 有效风时数较高, 场址区95m高度年有效风速小时数为8454h（3 m/s～25m/s）、8320h（3.5m/s～30m/s）。 c) 场址区主风向较稳定，风能分布较集中，代表年风电场场址区主风向基本为E～SSE方向，主风向比较稳定，主风能出现在SSE方向，风能分布较为集中。对风机的布置较为有利，能减少风机间尾流影响引起的电量损失。d) 湍流强度小，风电场95m高度湍流强度约为0.12，说明湍流相对较小，对风电机组性能和寿命影响很小。e) 日风速、风功率分布较好，风电场日风速和风功率高值出现在9：00～22：00，与负荷曲线匹配较好，表明风电场输出电力的变化接近负荷需求的变化，有利于电网的调度与调节。
与陆上风能资源的测风数据相比，海上风能资源较为丰富。但海上风电建设成本和技术难度较高，而风电场区域的风能资源评估是风能利用较为重要的一个环节，测风周期性较长,数据要求完整可靠，并通过合理的分析整理汇总以保证数据的科学性和准确性，从而降低投资风险.特别是今后中国会不断开发海上风电资源，必须在各个环节特别是做好前期测风方案,利用先进技术研究测风数据，一方面在研究海上风能资源的测风技术，另一方面推广技术摊薄成本，风能发电事业无疑将向前迈进一大步。

参考文献：
[1] 东海大桥海上风电场工程可行性研究报告 2006.11
[2] 2006年中国风力发电行业分析及投资 2006.1

图3-7