CN104239662A - 一种定量评价区域风能资源开发潜力的方法 - Google Patents

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郭青海
孙艳伟
王润
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Abstract

本发明涉及一种定量评价区域风能资源开发潜力的方法。包括以下步骤：（1）模拟风能资源的空间分布，即运用相关分析方法，筛选与年均风速显著相关的宏观地理因子，进而采用混合插值方法，得到年均风速的空间分布曲面；（2）风速外推，即采用对数律公式，将10m高度处年均风速外推，获得50m、80m和100m三个高度处的风能资源空间分布；（3）估算区域内风能资源理论开发潜力，即剔除风能资源的不适宜开发区域；（4）估算区域内风能资源技术开发潜力，即依据风机产品的技术参数计算全年发电总量；（5）估算区域内风能资源经济开发潜力，测算风能的发电成本，并绘制成本供给曲线，依据风电上网价格，获得该区域风能的经济开发潜力。

Description

一种定量评价区域风能资源开发潜力的方法
技术领域
本发明属于可再生能源评价技术领域。具体的说是建立一种可用来定量评价区域风能资源开发潜力的流程方法。
背景技术
科学、准确的评估区域可再生能源的开发潜力及其空间分布状况是可再生能源发展规划的一项重要的基础性工作。但是由于可再生能源的时空变异性大、开发资源量与当地气候、土壤、土地利用等因素密切相关等特点，潜力评估工作往往是非常困难的。地理信息系统（GIS）是一种用于获取、存储、编辑、处理、查询、分析、显示输出空间相关信息的计算机系统，它以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，能实时提供相关信息。在地理计算、网络分析、识别和量化环境约束所带来的影响以及空间数据可视化等方面，GIS是一个强有力的工具。近年来，应用GIS空间分析功能与其他应用模型或算法相结合，进行资源潜力及其空间分布评估的研究很多。为准确把握区域风能的开发潜力，研究者在风能潜力评估过程中整合环境、社会经济等空间和时间信息数据已成为该领域研究的主要趋势。在风能潜力评估过程中，需要综合考虑当地的地理、技术和经济发展等限制因素，才能得出与实际情况相符的定量风能开发潜力。但根据对现有文献调研的结果，到目前为止，仍然缺乏一套简单有效的评估区域陆地风能资源的方法。
发明内容
针对风能潜力评价方面存在的问题，本发明建立了一套可用来定量评价区域风能资源开发潜力的流程方法。本发明采用GIS空间技术与定量模型相结合的方法，分别从理论潜力、技术潜力和经济潜力三个层面，选取生态环境、技术和经济的评价标准和参数，系统评估区域风能资源的开发潜力和空间分布状况。具体评价流程参见图一，包括五个基本步骤：第一步，模拟距离地面10m高度处风能资源的空间分布；第二步，风速外推，就是将10m高度处年均风速外推，从而获得距离地面50m、80m和100m三个高度处的风能资源空间分布；第三步，估算区域内风能资源理论开发潜力，即剔除风能资源的不适宜开发区域；第四步，估算区域内风能资源技术开发潜力，即在理论开发潜力评估的基础上，选择目前技术条件下主流的风机产品，依据其技术参数计算全年发电总量；第五步，估算区域内风能资源经济开发潜力，即考虑当前风电机组市场价格、运营维护成本等经济因素，测算风能的平均发电成本；进而绘制区域的成本供给曲线，依据当前的风电上网价格，最终准确的获得该区域风能的经济开发潜力。至此，本发明的评价过程结束。以下是上述五个评价步骤的详细计算过程：
（1）模拟距离地面10m高度处风能资源的空间分布
收集研究区域内气象站点的常规气象数据（包括气象站的经纬度、海拔高度，以及日均风速、温度、气压等常规气象数据）、DEM以及最新的土地利用/土地覆被等地理空间数据；运用相关分析方法，筛选与年均风速显著相关的宏观地理因子（包括气象站点的经度、纬度、海拔、气压、温度、空气密度、距海岸最近距离、地形粗糙度和坡度等）；进而采用趋势面分析和普通克吕格插值相结合的混合插值方法，即把实际的风速分布曲面分解为趋势面和剩余面两部分，前者采用多元回归方法建立多元趋势面回归数学模型，反映地理要素的宏观分布规律；而对于剩余值则采用普通克吕格插值方法来反映微观局域特征；最终将两个结果相加，得到年均风速的空间分布曲面；
（2）风速外推
常用的定量描述风速廓线的方程有指数律和对数律两种，可以将参考高度的风速推算到另一个高度上的风速。当要推算高度超过60m时，推荐采用对数律公式，其数学表达式为：
                           （1）
式中，VZ代表风机轮毂高度处的平均风速（距地面50m、80m和100m）；Vzr代表参考高度处平均风速；Z代表风机轮毂距地面高度；Zr代表参考高度；Z0代表地表面粗糙长度，其取值参见表1；
表1. 基于ESA 2009年土地覆被数据的地表粗糙长度（Z0）
（3）估算区域内风能资源理论开发潜力
风能资源的开发利用受自然地理、土地资源、交通、电网以及国家或地方发展规划等诸多因素的制约，因此计算风能资源潜在开发量必须综合考虑各种制约因素。参照《区域风能资源评估方法》，从自然地理和生态环境角度考虑，需要剔除的不适宜风能资源开发的区域包括水体、湿地、沼泽地、自然保护区、历史遗迹、国家公园、矿产、基本农田、城市及城市周围3km宽的缓冲区、坡度大于10%（约6°）的区域，以及年平均风速小于5m/s的区域。应用GIS空间分析方法，将上述10类限制性开发区域予以剔除；
（4）估算区域内风能资源技术开发潜力
 在理论开发潜力评估的基础上，选择目前技术条件下主流的风机产品，并依据其技术参数计算全年发电总量。风机年发电量估算有两种方法：一种是各等级风速的概率密度乘以风速对应的风机输出功率的总和，再乘以年小时数（一般为8760h）；另外一种是风机的额定功率乘以年内等效满负荷小时数（h），再乘以风场修正系数（0.83~0.9，取0.86）。为了简化计算过程，我们选取后一种方法计算发电量。每个网格点上发电量的计算公式为：
                                    （2）
式中，Ei代表网格上的年发电量（kWh/yr）；PR 代表安装风机的额定功率（kW）； Hi 代表网格点上的等效满负荷小时数，λ代表风场修正系数；
（5）估算区域内风能资源经济开发潜力
根据当前风电机组平均市场价格情况，测算地理网格上的风力发电成本，计算公式如下：
                 （3）
式中，Pi为网格点i上的发电成本（元/kWh），T为风电项目初始投资总额，r为当前利率（6.8%）， a为寿命期内风电系统运行维护费用占总投资额的比例（一般为3%），Ei为风电场年均发电量（kWh/yr），N为系统寿命（20年）；
基于公式（3），可以计算得到每个地理网格上的发电成本（元/kWh）。应用GIS的空间统计功能，依次计算一定数值间隔的发电成本所对应的区域年总发电量，并将最终得到的若干数组按照发电成本由低到高的顺序进行排序，以此数组做散点图，最终得到了区域风能的成本供给曲线（GSC）。统计发电成本数列的众数作为该区域的代表性成本，与此值对应的累积发电量就是区域风能的经济潜力。 
附图说明
图1是区域风能资源开发潜力评价流程图。 

Claims (2)

1.本发明涉及一种定量评价区域风能资源开发潜力的方法。
2.其特征包括以下步骤：（1）模拟距离地面10m高度处风能资源的空间分布，即运用相关分析方法，筛选与年均风速显著相关的宏观地理因子（包括气象站点的经度、纬度、海拔、气压、温度、空气密度、距海岸最近距离、地形粗糙度和坡度等）；进而采用趋势面分析和普通克吕格插值相结合的混合插值方法，得到距离地面10m高度处年均风速的空间分布曲面；（2）风速外推，即采用对数律公式，将10m高度处年均风速外推，从而获得距离地面50m、80m和100m三个高度处的风能资源空间分布；（3）估算区域内风能资源理论开发潜力，即剔除风能资源的不适宜开发区域；（4）估算区域内风能资源技术开发潜力，即在理论开发潜力评估的基础上，选择目前技术条件下主流的风机产品，依据其技术参数计算全年发电总量；（5）估算区域内风能资源经济开发潜力，即考虑当前风电机组市场价格、运营维护成本等经济因素，测算风能的平均发电成本；进而绘制区域的成本供给曲线，依据当前的风电上网价格，最终准确的获得该区域风能的经济开发潜力。
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