风能资源的观测方式有很多种,如气象地面站10米高度测风、雷达测风、超声波测风、测风塔测风等;就相对位置讲,有定点测风和移动测风;就时间来讲,有永久的、长期的、短期的;气象地面站10米高度测风可认为是永久的,对于可以建成风电场,且在风电场运行期持续观测使用的,可认为是长期的;而对于仅在风电场选址时观测,过后就拆除或迁走的,可认为是短期观测。
尽管风能资源的观测方式多种多样,但在风电开发上还是以测风塔测风为主。简单地形单个测风塔的高度不低于主流风机的轮毂高度;复杂地形下,多个测风塔观测,其主塔高度不应低于主流风机的轮毂高度,其他的塔作为补充观测塔。较理想的测风是参照正在研制的风电机组轮毂高度作为选址测风塔的高度进行测风。
要想测风,除选择一个理想区域外,还要在这个区域选择观测位置,直观上就是给测风塔选一个立塔位置,这个位置的选择对于测风观测来说很重要,既要有代表性,又要兼顾数据传输(手机信号要好)和测风塔的维护工作。
4.2.2.1 观测塔选点
观测塔选点,也就是为观测塔选择合适的立塔位置。这要根据预选区域的地形条件来确定。
一般来讲,可以认为高原台地和平原为平坦地形,而河谷、丘陵地带、山区、岛屿等可看作为复杂地形,复杂地形上要考虑管道效应、绕流等引起的风的扰动。
高原台地指海拔高度较高(1000m以上)的高原地区内面积范围比较大的平坦区域。高原台地主要分布于我国北部、西北部地势较高的高原地区,是我国风能资源最具大规模开发潜力的地区(如内蒙古高原、黄土高原、青藏高原等)。高原台地大致可分为大片的地势平坦荒漠草原(或戈壁)和较大面积局地隆起的台地。在荒漠草原(或戈壁),测风塔位置应选在冷空气南下的路径上。设置1座测风塔的区域,测风塔位置应处在区域中心部位偏主导风向一侧;设置N个(2个以上)测风塔的区域,每个测风塔基本代表预开发区域面积的1/N。对局部隆起的台地(高出周围50~100m左右的区域),应首先从地形图上找出台地的范围。对设置一个测风塔的区域,测风塔位置应设置在区域中心偏主导风向侧;对设置N个测风塔的详查区,每个测风塔应能够代表勘查区域的面积1/N,可适当考虑向上、下游延伸,距台地边缘应保持1~2km的距离。
平原地区的测风塔选址主要考虑测风塔的区域代表性,测风塔在勘查区域通常呈均匀分布。
在高原台地和平原地区,测风塔一般设置在靠近区域中心、地势略高、周围空旷、下垫面植被一致的位置。
浅山丘陵属复杂地形,通常指那些在较大范围内相对高差不大(一般在50~100m左右)的区域。浅山丘陵主要包括呈片状分布的丘陵和从平原向山地的过渡带。浅山丘陵区域通常分为两种情况:一是选址区为一片相对孤立的丘陵区,二是选址区为大片丘陵区中的一部分。在孤立的丘陵区域,测风塔位置尽量选择在较为连贯且面积相对较大的丘陵上;在大片丘陵区,测风塔位置要选择相对较长较宽的丘陵上。对应设置N个测风塔的选址区,每个测风塔基本能代表该区域面积的1/N。测风塔位置应尽量选择在与当地盛行风向近似垂直的丘陵上。如选不出与当地盛行风向近似垂直的丘陵,测风塔位置必须选在与当地盛行风向近似平行的丘陵上时,测风塔应设置在丘陵中央或偏上风向一侧处、周围开阔、盛行风方向不受阻挡的位置。测风塔位置应避开对气流有压缩效应的地方,尽量不要选择丘陵顶部面积相对较小且与周围相对高差较大、拉线坑不易设置的地方。测风塔位置的海拔高度应比未来风电场平均海拔高度略高,且在盛行风方向上没有明显的丘陵阻挡。
山地属典型的复杂地形,相对高度在100m以上,一般山体较大,山脊较长,连绵起伏。山地选址区通常是某一山体的一部分,一般高于周围的山体。这类区域测风塔位置选择除要参考浅山丘陵测风塔选址的技术要点外,还要注意:山地预设测风塔位置应选在范围较大并适合安装风电机组的山体上;高度应比未来可能风电场的平均高度略高;山脊应与盛行风向近似垂直;盛行风上游不应有较大山体。
地形平坦的沿海区域,测风塔位置尽量位于海岸线向陆地延伸1km范围之内、防风林的外侧(向海)。地形复杂的详查区视地形的不同分别参照浅山丘陵或山地要求。设置垂直于海岸线剖面观测的详查区,观测剖面由3座测风塔组成,其中岸边(潮间带)设一座,向内陆500米、1500米各设一座。
海岬地区测风塔选址应视海岬与盛行风向的夹角和地形状况而定。测风塔位置尽量选在与盛行风侧且与盛行风向近似垂直的地方。冲积型海岸带参照平坦地形选址,山地海岸带参照丘陵地形选址。
在岛屿区内,通常一个测风塔要代表周围几个岛屿,测风塔位置应尽量选在靠近区域中心、风能资源具有代表性的岛屿,测风塔选址可参照陆地平坦或丘陵型地形的选址要求。
4.2.2.2 观测层次设置
测风塔选好置,下一步就要确定在哪些层次观测,观测哪些气象要素,这就是观测层次设置的问题。在设置观测层次时,要既能完成选址观测任务,又要和气象风能专业观测网层次设置靠近。观测要素也同样,要有:风速、风向、气温、气压、湿度等,观测层次要有10m、30m、50m、70m、100m、120m等高度层,要根据观测塔的高度和预选风机的轮毂高度具体设定。建议观测层次设置为:
8.5m: 气压
10m:风向、风速、气温、湿度
30m:风速
50m:风向、风速
70m:风向、风速、气温、湿度
90m(或轮毂高度):风向、风速
安装完测风塔和观测设备后,就要开始为期至少完整一年的观测,收集的用于编写风电场预可行性研究报告的观测数据一般要求有效数据完整率要达到90%以上。
数据采集方式主要有两种:无线传输、定期换取SIM存储卡,目前采取两种方式并存,既便于用无线传输数据监控观测仪器运行状态,又通过两种方式互补,确保观测数据完整性。
为了确保观测安全,观测数据连续稳定,测风部门要安排懂专业或经过培训的固定人员定期浏览测风数据信箱,初步察看分析数据的连续性、合理性,对于出现的错误数据要及时查验、更换观测仪器,保证数据的连续性。要安排专人定期取卡、换卡,定期巡视观测现场,检查观测仪器运行状态,检查测风塔安全稳定,发现问题及时维护。
数据审核应到国家和各省气象主管机构指定的有资质的部门来审核。数据审核应参照《地面气象观测规范》(气象出版社,2003)、《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》(QX-T74-2007)和《风电场风能资源测量方法》(GBT18709-2002)、《风电场风能资源评估方法》(GBT18710-2002)的等有关技术规定。对于风电场选址测风数据,主要审核数据的完整性、合理性、趋势性等。
数据的完整性是看观测数据是否缺测和间断,要明确数据记录断点,对于观测时间较长的数据,应选择靠近起始观测时间,连续性较好的一整年数据作为观测原始资料,来开展后期工作。数据完整性审核是审核有效数据的完整率,有效数据是指一整年的观测数据剔除了由于仪器故障、传输错误、特殊天气等原因造成的缺测和不真实的数据后的数据,有效数据完整率:有效数据个数/一年总的观测次数。一年总的观测次数:
平年观测次数=365(天)×24(时)×6(次)=52560次;
闰年观测次数=366(天)×24(时)×6(次)=52704次。
风电场工程设计上要求有效数据完整率应大于90%。
数据合理性检验包括极值范围检查、一致性和相关性检验。
极值范围检查:在行业标准《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》(QX-T74-2007)上各观测要素的变化范围:气温为-80℃~60℃,气压为500hPa~1100hPa,风速为0m/s~75m/s,风向为0 °~360°或十六方位和静风。对于具体数据,要根据各地气候特点,再查看各观测仪器的检定报告来确定各观测要素的合理变化范围。
一致性检查:主要检查各高度风速、风向的一致性。
风速的一致性:|V70 – V50|<4.0m/s和|V70 – V10 |<8.0m/s
风向的一致性:|D70 –D50|<30 °或|D70 –D50|>330 °或V70≤0.2m/s或V50≤0.2m/s(即有一高度为静风)
注:V(风速)和D(风向)的下标分别为参考高度(单位:m)。各地气候条件和风况变化很大,上述参数供检验时参考,在数据超出范围时应根据当地风况特点加以分析。
相关性检查:主要对风速数据进行检查,其中:
逐时最小风速≤逐时风速≤逐时最大风速;
逐时风速≤日最大风速;
极大风速≥最大风速。
符合这些条件的可确认为相关性较好。 对于气温、气压、湿度等要素的变化可通过邻近在同一天气背景下气象站点的同一要素的变化进行相关性分析。风向由于受地形影响较大,原则上不作相关分析。
趋势性检验:
1小时平均风速变化趋势﹤6.0m/s;
1小时平均气温变化,合理变化趋势﹤5℃;
3小时平均气压变化﹤1kpa。
测风数据审核报告例子:黑龙江省气候中心为某企业《依兰鸡冠砬子二号(3309)测风塔数据审核报告》。
根据《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》(QX-T74-2007)和《风能资源测量方法》(GBT18709-2002)的技术规定,对依兰鸡冠砬子二号(3309)测风塔数据进行了审核,意见如下:
数据完整性检验:
符合要求的数据时间序列从2007.09.18(00:00)~2008.09.17(23:50),数据满一整年,缺测1天,有效数据完整率达99.8%。
数据合理性:
各气象要素变化范围合理:风速变化范围:70m高度0.4m/s~28m/s ,60m高度0.4m/s~26.8m/s,50m高度0.4m/s~26.5m/s,30m高度0.3m/s~25.6m/s;风向变化范围:0°~359°;温度变化范围:-27.6℃~37℃;气压变化范围:64.9kPa~108.8kPa。
数据一致性检验符合标准。其中70m/50m高度小时平均风速差值﹤2.0m/s。
极大风速、最大风速、日最大风速和逐时风速的相关性符合标准。
趋势性检验合理:1小时平均风速变化趋势﹤6.0m/s。1小时平均气温变化,合理变化趋势﹤5℃。 3小时平均气压变化﹤1kpa。
