云南風能資源開發(fā)利用分析

云南風能資源開發(fā)利用分析

在能源短缺和環(huán)境惡化的時代，各國政府越來越重視能源的利用。作為季風氣候的中國,實際可開發(fā)的風能為2.53億kW,但由于風能資源的分布不均,全國各地風能開發(fā)利用存在差異。本文將云南風能資源的有效風能功率密度、有效風速可利用時數(shù)te等風能資源評估要素與我國風能資源豐富區(qū)“三北”北部和沿海地帶的相應(yīng)要素進行比較分析,顯示出云南風能資源的特點,為進一步開發(fā)利用風能資源提供科學(xué)依據(jù)。3風速的比較從表1、表2可見,云南風能可開發(fā)區(qū)10m高處的風速不如新疆風能豐富區(qū)的大,但風力機的輪轂高度一般離地40m或50m,故在此高度上的風速對風力機才是有意義的。表3列出的是云南風能可開發(fā)區(qū)40m、50m高度上的風速。根據(jù)我國風力機的型號與對應(yīng)年平均風速標準,這13個站所代表地區(qū)均為中型—大型風機的可開發(fā)區(qū)。表1~3表明,云南風能可開發(fā)利用區(qū)各站10m高度上的平均風速大多小于新疆的,平均有效風能密度也無一達到200W/m2,但各站分別在離地20—80m高度上,其平均有效風能密度均大于200W/m2,屬“風能豐富區(qū)”,而太華山站在離地30m高度上、落雪站在離地40m高度上、大山包在離地60m高度上及馬龍站在離地80m高度上,它們的平均有效風能密度已大于300W/m2,這幾個站的低空風能潛力可與屬我國“風能豐富區(qū)”的沿海島嶼媲美。此外,云南風能可開發(fā)利用區(qū)各站離地10m或者20m高度上,全年風能可利用時數(shù)均已超過5000h,而太華山、落雪和大山包3站離地10m高度以及其余各站離地20—40m高度上,全年有效風速可利用時數(shù)均已超過6000h。因此,云南風能可開發(fā)利用區(qū)的低空風能潛力很大,具有開發(fā)利用價值。另外,云南干雨季分明,6—9月為雨季,此時風速較小,10月中下旬后,南支西風急流逐漸在青藏高原南部建立,高空的強西風急流動量下傳,造成云南近地面風速增大,冬春季風力最強,5月后漸漸減弱。因此,云南的有些地方,如大姚、宣威、祥云、馬龍、落雪、大山包及太華山等地,不僅年平均風速超過3.5m/s,且風季(恰逢干季)風速均達4.5m/s以上,是中型風力機的可開發(fā)區(qū),而位于哀牢山以東的晉寧、路南、師宗、尋甸、嵩明、新村、會澤、姚安、富源、雙柏、硯山、元陽、個舊、紅河、麗江和南澗等地,風季的風速也達3.5—4.4m/s,是小型風力機的可開發(fā)區(qū)。干季風能的開發(fā)價值遠大于雨季,這也是云南風能的特征之一。4云南風能分布的地形效應(yīng)510分鐘平均最大風速的比較表4列出的是用一元回歸方程計算的云南風能可開發(fā)區(qū)30年一遇10分鐘平均最大風速。從表4可見,落雪站30年一遇最大風速最大,有36.2m/s;個舊站最小,只有16.1m/s;蒙自、宣威、祥云、紅河和下關(guān)5站,30年一遇最大風速為18.4—20.0m/s;其余站30年一遇最大風速在20.5—23.8m/s?？梢?云南風速大于25.0m/s,對風力機具有破壞性的大風不多見,極端大風發(fā)生頻率低,風能利用中對風力機的堅固性要求不高,只有落雪站最大風速設(shè)計為中壓型,其余各站均為弱壓型。而我國“風能豐富區(qū)”的新疆地區(qū),10分鐘平均最大風速多數(shù)在30m/s以上,如阿拉山口和達坂城,它們的10分鐘平均最大風速分別為46m/s和38m/s,風力機必須經(jīng)受強風的襲擊,風力機的設(shè)計為特強壓型。由此可見,云南風力機安全性較“三北”地區(qū)的高而成本低。6云南是以西南風為主導(dǎo)風向的地區(qū)7云南對風力機運行有利的氣象要素我國的沿海地區(qū)和“三北”北部是“風能豐富區(qū)”,風能的開發(fā)潛力巨大,但同時這兩個地區(qū)的氣象災(zāi)害對風能開發(fā)利用造成的不利影響也大。前者易受臺風的襲擊,空氣中鹽霧較重,是風電場發(fā)展建設(shè)不可忽視的重要方面;而后者冬夏溫差大,破壞性大風多(如新疆阿拉山口年極端最高氣溫44.2℃,年極端最低氣溫-33.0℃),并且在風能利用的高峰期容易出現(xiàn)沙塵暴天氣(如新疆達坂城,年大風日數(shù)平均為145.5天,年沙塵暴日數(shù)平均為7.7天),這些天氣現(xiàn)象對風力機的安全性和穩(wěn)固性均有不利影響。云南離海較遠,不受臺風影響,位于低緯高原的特殊地理位置,使其氣候四季如春,冬夏溫差小,不見或少見風沙天氣(如麗江,年極端最高年溫32.3℃,年極端最低氣溫-10.3℃,年大風日數(shù)21.3天,沙塵暴日數(shù)為0);全省性暴雨平均每年只有4.7天,大暴雨以上降水僅為全部暴雨的6%,降水強度不大。這些氣象條件對降低風力機成本,對風力機的安裝和安全性,都極為有利。8總體評價1與e的比較云南在1萬平方公里以上“壩子”的面積總和占全省面積的6%,而山區(qū)面積占94%。全省126個氣象(臺)站基本設(shè)在城鎮(zhèn)附近的壩子內(nèi),只有3個站設(shè)在山區(qū)。80年代以后,隨著城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展,處于壩區(qū)的多數(shù)氣象站的測風資料受到影響。1951—1980年全省年平均風速在3m/s以上的站(20個)比1961—1990年的(15個)多5個,而后者離地10m高處年平均風速大于3.5m/s站只有14個,因此,僅依據(jù)氣象站的實測平均風速是反映不了云南風能資源的真實面貌的。本文選取年平均風速在3.5m/s以上的13個站作為云南風能資源可開發(fā)區(qū)的代表,以分析云南風能資源的特點。113,10m5m/s3,:(6.1m/s),落雪(5.3m/s),大山包(5.2m/s),它們的年平均有效風能功率密度和年有效風速可利用時數(shù)則分別為184.3W/m2,7386h;192.0W/m2,6081.2h;135.7W/m2,6490.4h。與新疆屬風能豐富區(qū)的3個站阿拉山、達板城和哈密北戈壁(見表2)進行比較,雖然云南的年平均有效風能功率密度小于新疆,但其年平均風速和年有效風速可利用時數(shù)接近新疆,與吉林省中西部的年平均有效功率密度(120—180W/m2)和年有效風速可利用時數(shù)(4000—6000h)相當,甚至有效風能可利用時數(shù)還大于吉林。按我國風能區(qū)劃的第一級區(qū)劃指標,東川市落雪站與昆明市太華山站已接近“風能較豐富區(qū)”。另外,風能是否具有開發(fā)價值,還決定于有效風速利用時數(shù)。根據(jù)文獻,沿海狹長地帶年風速可利用時數(shù)為5000—6000h,年風能有效功率密度為200—350W/m2,“三北”北部年風速可利用時數(shù)為4000—6000h,年風能有效功率密度為150—300W/m2,而云南風能可開發(fā)區(qū)年有效功率密度雖不及上述兩個全國風能豐富區(qū),但年有效風速可利用時數(shù)均超過4000h。從表1可看到,年有效風速可利用時數(shù)昆明市太華山站最多,達7386h,昭通市大山包次之,為6490h,東川市落雪站也有6081h,這3個站的年風速有效利用時數(shù)與我國東南沿海狹長地帶及其它島嶼一樣,同屬全國最大。2空氣密度的影響有效風能功率密度的大小與空氣密度d一次方成正比,d大,則有利于提高有效風能功率密度,而d的變化與氣壓P、氣溫t及水氣壓e有關(guān)。云南地處高原,氣壓相對沿海地區(qū)低,如云南的太華山站年平均氣壓P為68.94kPa,年平均氣溫為11.4℃,年平均水氣壓為1.02kpa,而廣東的南澳島年平均氣壓101.28kPa,年平均氣溫21.5℃,年平均水氣壓2.13kPa,根據(jù)公式d=1.276/(1+0.00366t)(P-0.378e)/1000進行計算,前者空氣密度0.84kg/m3,后者為1.19kg/m3,兩者之比為0.71,即在年平均風速相同的情況下,太華山的年有效風能功率密度只有南澳的71%;但若在11—4月(云南的干季,風季),太華山站的空氣密度為0.94kg/m3,南澳島空氣密度為1.22kg/m3,兩者之比為0.77,有效風能功率密度的差異較年值減小?？梢?由空氣密度的不同所引起的有效風能功率密度差異,云南比沿海地區(qū)一般小20—30%,但隨季節(jié)的變化有所變動。云南地形復(fù)雜,風能分布受地形影響強烈。雖然從126個氣象站的資料來看,如前所述,云南風能資源總體不如“三北”地區(qū)和沿海地區(qū),但許多高度不同的山頂、埡口、峽谷等地,風能資源較開闊平地要大,“登高臨風”的規(guī)律在山區(qū)具有普遍性。如昆明市(海拔1891.4m),年平均風速2.2m/s,而離它不到10km的太華山站(海拔2358.3m)年平均風速為5.8m/s,年平均有效風能密度為184.2W/m2,有效風速出現(xiàn)的時間百分率為84%,3~20m/s的風速出現(xiàn)時間共計7386h,大于6m/s的風速出現(xiàn)時間為3855h,12—5月干季時,風力特別強,平均有效風能密度高達260.5W/m2以上,有效風力出現(xiàn)的時間百分率達93%以上,接近全國最大風能區(qū)的水平,換句話說,如把風力機安裝在太華山,可比安裝在昆明市多得近6倍的風能?？梢?開發(fā)山區(qū)風能資源大有可為。另外,我省某些地區(qū)由于地形的突然變化,形成典型的“狹管效應(yīng)”,可造成很大的局地風速。如洱海南端的下關(guān)市,處于西洱海的東部谷口,西寬東窄的地形,特別有利于使冬春季沿河谷東進的西風氣流流線密集,致使風速明顯加大,其年平均風速為4.4m/s;而位于它北面10多km處的大理縣城,由于在蒼山東邊山腳下,風速明顯偏小,其年平均風速僅為2.4m/s。云南風能可開發(fā)地區(qū)全年最大頻率風向與全年最大平均風速的風向基本一致,多為西南向,因此云南是以西南風為主導(dǎo)風向的地區(qū)。而我國的“三北”地區(qū),則以西風為主導(dǎo)風向,沿海地區(qū)則為“海陸風”。從風能的時間分布上看,云南和“三北”地區(qū)相似,即冬春季為風能利用的高峰期,而夏秋季則是風能利用的低谷期。通過以上分析可見,云南多數(shù)山區(qū)風能分布廣泛,在冬春季風能極具開發(fā)價值,并且云嶺哀