云南风能资源开发利用分析

云南风能资源开发利用分析

在能源短缺和环境恶化的时代，各国政府越来越重视能源的利用。作为季风气候的中国,实际可开发的风能为2.53亿kW,但由于风能资源的分布不均,全国各地风能开发利用存在差异。本文将云南风能资源的有效风能功率密度、有效风速可利用时数te等风能资源评估要素与我国风能资源丰富区“三北”北部和沿海地带的相应要素进行比较分析,显示出云南风能资源的特点,为进一步开发利用风能资源提供科学依据。3风速的比较从表1、表2可见,云南风能可开发区10m高处的风速不如新疆风能丰富区的大,但风力机的轮毂高度一般离地40m或50m,故在此高度上的风速对风力机才是有意义的。表3列出的是云南风能可开发区40m、50m高度上的风速。根据我国风力机的型号与对应年平均风速标准,这13个站所代表地区均为中型—大型风机的可开发区。表1~3表明,云南风能可开发利用区各站10m高度上的平均风速大多小于新疆的,平均有效风能密度也无一达到200W/m2,但各站分别在离地20—80m高度上,其平均有效风能密度均大于200W/m2,属“风能丰富区”,而太华山站在离地30m高度上、落雪站在离地40m高度上、大山包在离地60m高度上及马龙站在离地80m高度上,它们的平均有效风能密度已大于300W/m2,这几个站的低空风能潜力可与属我国“风能丰富区”的沿海岛屿媲美。此外,云南风能可开发利用区各站离地10m或者20m高度上,全年风能可利用时数均已超过5000h,而太华山、落雪和大山包3站离地10m高度以及其余各站离地20—40m高度上,全年有效风速可利用时数均已超过6000h。因此,云南风能可开发利用区的低空风能潜力很大,具有开发利用价值。另外,云南干雨季分明,6—9月为雨季,此时风速较小,10月中下旬后,南支西风急流逐渐在青藏高原南部建立,高空的强西风急流动量下传,造成云南近地面风速增大,冬春季风力最强,5月后渐渐减弱。因此,云南的有些地方,如大姚、宣威、祥云、马龙、落雪、大山包及太华山等地,不仅年平均风速超过3.5m/s,且风季(恰逢干季)风速均达4.5m/s以上,是中型风力机的可开发区,而位于哀牢山以东的晋宁、路南、师宗、寻甸、嵩明、新村、会泽、姚安、富源、双柏、砚山、元阳、个旧、红河、丽江和南涧等地,风季的风速也达3.5—4.4m/s,是小型风力机的可开发区。干季风能的开发价值远大于雨季,这也是云南风能的特征之一。4云南风能分布的地形效应510分钟平均最大风速的比较表4列出的是用一元回归方程计算的云南风能可开发区30年一遇10分钟平均最大风速。从表4可见,落雪站30年一遇最大风速最大,有36.2m/s;个旧站最小,只有16.1m/s;蒙自、宣威、祥云、红河和下关5站,30年一遇最大风速为18.4—20.0m/s;其余站30年一遇最大风速在20.5—23.8m/s。可见,云南风速大于25.0m/s,对风力机具有破坏性的大风不多见,极端大风发生频率低,风能利用中对风力机的坚固性要求不高,只有落雪站最大风速设计为中压型,其余各站均为弱压型。而我国“风能丰富区”的新疆地区,10分钟平均最大风速多数在30m/s以上,如阿拉山口和达坂城,它们的10分钟平均最大风速分别为46m/s和38m/s,风力机必须经受强风的袭击,风力机的设计为特强压型。由此可见,云南风力机安全性较“三北”地区的高而成本低。6云南是以西南风为主导风向的地区7云南对风力机运行有利的气象要素我国的沿海地区和“三北”北部是“风能丰富区”,风能的开发潜力巨大,但同时这两个地区的气象灾害对风能开发利用造成的不利影响也大。前者易受台风的袭击,空气中盐雾较重,是风电场发展建设不可忽视的重要方面;而后者冬夏温差大,破坏性大风多(如新疆阿拉山口年极端最高气温44.2℃,年极端最低气温-33.0℃),并且在风能利用的高峰期容易出现沙尘暴天气(如新疆达坂城,年大风日数平均为145.5天,年沙尘暴日数平均为7.7天),这些天气现象对风力机的安全性和稳固性均有不利影响。云南离海较远,不受台风影响,位于低纬高原的特殊地理位置,使其气候四季如春,冬夏温差小,不见或少见风沙天气(如丽江,年极端最高年温32.3℃,年极端最低气温-10.3℃,年大风日数21.3天,沙尘暴日数为0);全省性暴雨平均每年只有4.7天,大暴雨以上降水仅为全部暴雨的6%,降水强度不大。这些气象条件对降低风力机成本,对风力机的安装和安全性,都极为有利。8总体评价1与e的比较云南在1万平方公里以上“坝子”的面积总和占全省面积的6%,而山区面积占94%。全省126个气象(台)站基本设在城镇附近的坝子内,只有3个站设在山区。80年代以后,随着城镇建设的发展,处于坝区的多数气象站的测风资料受到影响。1951—1980年全省年平均风速在3m/s以上的站(20个)比1961—1990年的(15个)多5个,而后者离地10m高处年平均风速大于3.5m/s站只有14个,因此,仅依据气象站的实测平均风速是反映不了云南风能资源的真实面貌的。本文选取年平均风速在3.5m/s以上的13个站作为云南风能资源可开发区的代表,以分析云南风能资源的特点。113,10m5m/s3,:(6.1m/s),落雪(5.3m/s),大山包(5.2m/s),它们的年平均有效风能功率密度和年有效风速可利用时数则分别为184.3W/m2,7386h;192.0W/m2,6081.2h;135.7W/m2,6490.4h。与新疆属风能丰富区的3个站阿拉山、达板城和哈密北戈壁(见表2)进行比较,虽然云南的年平均有效风能功率密度小于新疆,但其年平均风速和年有效风速可利用时数接近新疆,与吉林省中西部的年平均有效功率密度(120—180W/m2)和年有效风速可利用时数(4000—6000h)相当,甚至有效风能可利用时数还大于吉林。按我国风能区划的第一级区划指标,东川市落雪站与昆明市太华山站已接近“风能较丰富区”。另外,风能是否具有开发价值,还决定于有效风速利用时数。根据文献,沿海狭长地带年风速可利用时数为5000—6000h,年风能有效功率密度为200—350W/m2,“三北”北部年风速可利用时数为4000—6000h,年风能有效功率密度为150—300W/m2,而云南风能可开发区年有效功率密度虽不及上述两个全国风能丰富区,但年有效风速可利用时数均超过4000h。从表1可看到,年有效风速可利用时数昆明市太华山站最多,达7386h,昭通市大山包次之,为6490h,东川市落雪站也有6081h,这3个站的年风速有效利用时数与我国东南沿海狭长地带及其它岛屿一样,同属全国最大。2空气密度的影响有效风能功率密度的大小与空气密度d一次方成正比,d大,则有利于提高有效风能功率密度,而d的变化与气压P、气温t及水气压e有关。云南地处高原,气压相对沿海地区低,如云南的太华山站年平均气压P为68.94kPa,年平均气温为11.4℃,年平均水气压为1.02kpa,而广东的南澳岛年平均气压101.28kPa,年平均气温21.5℃,年平均水气压2.13kPa,根据公式d=1.276/(1+0.00366t)(P-0.378e)/1000进行计算,前者空气密度0.84kg/m3,后者为1.19kg/m3,两者之比为0.71,即在年平均风速相同的情况下,太华山的年有效风能功率密度只有南澳的71%;但若在11—4月(云南的干季,风季),太华山站的空气密度为0.94kg/m3,南澳岛空气密度为1.22kg/m3,两者之比为0.77,有效风能功率密度的差异较年值减小。可见,由空气密度的不同所引起的有效风能功率密度差异,云南比沿海地区一般小20—30%,但随季节的变化有所变动。云南地形复杂,风能分布受地形影响强烈。虽然从126个气象站的资料来看,如前所述,云南风能资源总体不如“三北”地区和沿海地区,但许多高度不同的山顶、垭口、峡谷等地,风能资源较开阔平地要大,“登高临风”的规律在山区具有普遍性。如昆明市(海拔1891.4m),年平均风速2.2m/s,而离它不到10km的太华山站(海拔2358.3m)年平均风速为5.8m/s,年平均有效风能密度为184.2W/m2,有效风速出现的时间百分率为84%,3~20m/s的风速出现时间共计7386h,大于6m/s的风速出现时间为3855h,12—5月干季时,风力特别强,平均有效风能密度高达260.5W/m2以上,有效风力出现的时间百分率达93%以上,接近全国最大风能区的水平,换句话说,如把风力机安装在太华山,可比安装在昆明市多得近6倍的风能。可见,开发山区风能资源大有可为。另外,我省某些地区由于地形的突然变化,形成典型的“狭管效应”,可造成很大的局地风速。如洱海南端的下关市,处于西洱海的东部谷口,西宽东窄的地形,特别有利于使冬春季沿河谷东进的西风气流流线密集,致使风速明显加大,其年平均风速为4.4m/s;而位于它北面10多km处的大理县城,由于在苍山东边山脚下,风速明显偏小,其年平均风速仅为2.4m/s。云南风能可开发地区全年最大频率风向与全年最大平均风速的风向基本一致,多为西南向,因此云南是以西南风为主导风向的地区。而我国的“三北”地区,则以西风为主导风向,沿海地区则为“海陆风”。从风能的时间分布上看,云南和“三北”地区相似,即冬春季为风能利用的高峰期,而夏秋季则是风能利用的低谷期。通过以上分析可见,云南多数山区风能分布广泛,在冬春季风能极具开发价值,并且云岭哀