GIS技术支持下的江苏省可用风能资源评估研究

第 28巷 第 1期 20l0年 2月 可 再 生 能 璩 Renewable Energy Resources V()1 28 N0．1 Feb．2O10 GIS技术支持下的江苏省可用风能资源评估研究 刘光旭 ，吴文祥 ，张绪教 ，周 扬 (1．中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101；2．中国地质大学(北京)，北京 100083) 摘 要：传统的风能资源评估只考虑到风能的自然属性，没有和其社会属性结合起来。基于江苏省社会经济发 展的需要和当地的实际情况．使用国际成熟的风能资源评估方法，创新性地把风能的自然属性和社会利用结合 起来。根据风能资源的季节性变化，以四季平均风速分布作为重要指标，运用 GIS技术的空间分析功能，结合风 能在本地利用的实际情况对江苏省的风能资源可利用量进行了评估、分析和制图研究。结果显示，江苏省当前 可实际开发利用的风能资源量达到 146 336．16 GWh，在当地发展风能利用具有极大的资源潜力，可作为能源风 险 防范 的关键技术进行开发。 关键词 ：可用风能资源 ；GIS；能源风险 ；江苏省 中图分类号 ： TK8l一53 文献标志码 ：A 文章 编号 ：1671-5292(2010)01—0109—06 Assessment on available wind energy in Jiangsu by using GIS technology LIU Guang-xu ，WU Wen-xiang ，ZHANG Xu-jiao ，ZHOU Yang (1．Institute of Geographic Science and Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China；2．China University of Geosciences in Beijing，Beijing 100083，China) Abstract：The traditional assessment on wind energy resources only considers wind's natural at— tributes and its social attributes are often not included．Based on the needs of local soeio—economic development and the actual situations in Jiangsu Province，the available wind energy resources are assessed，analyzed and mapped in this paper by the important indicator of season S mean wind speed according to its changes，with international mature wind energy resource assessment model， the assessment innovatively combined wind S natural and social attributes by using GIS spatial analysis function．The result shows that the amount of currently available wind energy resource reached as much as 146 336．16 GWh．Wind energy development can be a major method to avoid en- ergy risk due to its great potentia1． Key words：available wind energy；GIS；energy risk；Jiangsu 0 引言 风能是可再生的清洁能源 ，也是全球发展最 快、最具发展潜力的新型能源。与其他可再 生能 源相比，当前，风能上网电价具有明显的竞争优 势【”，风能发电对环境的影响也微乎其微嘲．因此 在解决传统化石燃料的大规模使用所带来的风险 时候，许多国家都把大力发展风力发电作为规避 传统能源使用风险的必然选择。全世界至少有48 个国家 (34个发达或过渡性国家和 14个发展 中 国家)制订了若干形式的可再生能源发电促进政 策来发展风电产业【3j。在我国，根据(2ooo～2015年 新能源和可再生能源产业发展规划要点》，到 2020年 ，我国的风力发电装机容量要达到 40 GW，年将替代 3 000万 t标准煤。经济迅速崛起 的江苏省 ，与其他省份相比，传统能源资源匮乏， 一 次性能源短缺，而风能资源却极为丰富。在沿海 区域，有一条狭长的风速急变带，风速、风能等值 线走 向基本与海岸线平行 ．这里还有世界最大的 收稿 日期 ：2009—10-9。 基金项目：科技部“十一五”科技支撑计划项 目(2006BAD2OB06)；国家科技支撑计划项 目(2008BAK5OB06)。 作者简介：刘光旭(1977-)，男，博士研究生，主要研究方向为全球气候变化。E—mail：liugx．09b@igsnrr．ac．cn · 1O9· 可 苒 生 能 骤 海岸外辐射沙洲，分布在江苏省沿海中部岸外，总 数有7O余个，呈扇状分布，是建设发展风电厂的极 佳区域；此外，江苏省有雄厚的经济实力，江苏电 网又有足够的容量吸纳风电电量，因此，开发风电 资源来防范本地的传统能源风险是必然选择，有 必要掌握本地风能资源可利用储量。但是传统的 风能资源评估只是根据相关气象观测资料，或选 用适当的函数．或进行数字模拟的方法来评价风 功率密度[41一，没有考虑风能资源的社会属性，结 果不能被直接使用。本文在考虑风能资源的自然 属性(如风速、地域分异等)之外，尝试着使用 GIS 技术，采用微观选址的方法对江苏省的可利用风 能资源量进行评估 ．把风能资源的 自然属性和社 会属性结合起来，以便更好地为当地经济发展服 务。 1 评估方法 1．1风能的 自然属性分析 风速是风能资源 的一个重要 的 自然属性指 标 ，评估风能资源的一个依据就是评价平均风速 的分布情况 。评估一个区域风能资源储量的最佳 办法就是建立覆盖这个区域 的风速观测站点 ，获 得较长时期的、比较完整的风速观测数据。江苏省 的气象部门设有 13个气象站点，记录了 1951— 2006年的日风速观测数据。不过，这些气象资料 中的风速数值往往是气象观测高度 (一般是 10 m)的风速值，因受下垫面的影响， 在低层大气中 风速在垂直方向将呈现明显的变化 。风电设备中 的风轮机的风轮柱高度往往远远大于气象观测高 度，为了准确地掌握江苏的风速分布情况，就必须 知道风轮柱高度上的风速值。这里选用常用的平 均风速外推公式，由气象观测高度的风速推算轮 柱高度的风速： V=v0[hlho] (1) 式中： 一 高度 h上的风速，m／s； 1 观测高度的 ho风速 ，m／s； — — 风速测评高度。m； |lz 风速仪高度，通常是 10 m； 卜 高度指数(O．14～0．3)。 1．2风能的社会属性分析 风能只有被人类利用才具有社会属性 。风能 资源是气象资源，具有明显的地域分异特征，在资 源利用评估中要把风能资源的社会属性和自然属 · ll0· 性结合起来，可以尝试借助于 GIS技术。GIS(Ge． ographic Information System，地理信息系统)是一 项以计算机为基础的新兴技术 ．它可 以对空间数 据按地理坐标或空间位置进行各种处理，以对数 据进行有效管理，也可以研究各种空间实体及相 互关系，迅速地获取满足应用需要的信息 并能以 地图、图形或数据的形式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示处理的结果[61。它可 以方便地调用有关的数据和模型，辅助实现对象 分类，并可直观地表达出分类、分区结果 ，实现资 源地域分布特征，还可以根据区域内的自然资源 条件、交通条件、人口和劳动力条件以及社会经济 条件探讨资源开发的布局与选址 [71。在国际上， GIS技术在风能资源评估领域已经得到了广泛的 应用，如 T．V．Ramachandra等使用 GIS技术对印 度卡纳塔克邦风能资源的地理分布和季节分布进 行制 图分析 ．给出了风速分布图。并根据连续观测 的数据通过风能资源制图对研究区的风能潜力进 行了评价[s／。G．Quinonez—Varela等把电力系统模 拟 系统 (PSS，Power Systems Simulators)与 GIS的 分析功能结合起来 ．利用其优势功能 自动获取电 网优化的即时信息．对苏格兰预期的可再生能源 发电量进行了评估计算[9]。台湾的余政达等人采 用了相同的方法．对台湾西南的七股区的风能资 源，从经济、技术、环境保护和政治需要角度进行 了评估等㈣。因此对风能资源的社会属性——可 利用性评估．可以使用 GIS技术进行分析。 1．2．1场地选择 风能资源利用的最佳途径是建立风电站，利 用风能发电。江苏省地势平坦，但并不是所有的地 方都可 以用来建立风电站。在实际进行风能利用 时 ．风电站的建设常常受到地形 、政治 、经济和技 术因素的影响。因此要准确地对江苏省的风能资 源进行评估．就需要排除那些不适合风电站建设 的地区。 ①坡度大的地区。这些地区通常投资高、建设 难度大。 ②政治经济活动区域。如城市、厂矿、公路、铁 路、机场等，主要考虑安全及避免视角污染。 ③水域。如湖泊、河流等区域常常会增加投资 成本。 ④ 自然保护区。如森林、国家公园，动植物保 护区等常受到法律法规的保护。 刘光旭 ，等 (；IS技 术支持 下的江苏省可用风能资源评估研 究 ⑤生活居住区等。主要是为了避免噪音污染。 1 2 电机选择 风电机是利用风能发 电的主要设备 。进行风 能资源评估，选用合适的风电机作为评价标准设 备可以准确地得出本地可利用的风能资源。结合 风电机安装使用成本。本文选用丹麦制造的 Ves． tas V80陆上风电机作为可利用风能资源评估的 参考风电机。Vestas V80的风轮转子直径为 8O m，启动风速为4 rigs，待机风速为 25 rids，额定功 率为 2 MW，风轮柱高度是 80 m，它属节能、清洁、 无污染型风力发电机组 ，也是 目前亚洲单机容量 最大 、技术先进 、功能齐全 的风力发电机组 ，因此 使用 Vestas V80陆上风机作为评估参考有一定 的代表意义。 1．3 评估 方 法设 计 运用 GIS技术进行选址并计算出可以安装的 参考风轮机数 目。结合不同时空下风速的观测记 录，可以把风能资源的自然属性和社会属性结合 起来 ，评估出一个地方可以利用的风能资源储量。 由于气流吹过风轮机时，风速会降低，形成尾流 区，在有限的距离内．风速并不能恢复到以前状 态，因此风轮机不能安装得太近f1】】。根据前人的理 论研究和风电机特性测试 ，在大约 l0倍于风轮机 转子直径的地方 ，这一影响可以降到最小【 。不过 实际安装风电机时 ，对适宜区来说 ，在主风方向上 常规应该预留 2倍转子直径距离空白区域 ．或在 盛行风方向上预留4倍于转子直径的距离『13]。为 了简单起见 ．本文把 3倍于转子直径作为风电机 间隔距离。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 可用的风能资源评估方法如下。 (I)可用风能资源评估的限制条件 ①最低风速：3 m／s； ②离市区的最短距离：500 m； ③离村庄的最短距离：250 m； ④离 自然资源保护区的最短距离：500 m； ⑤离森林和生态脆弱区的最短距离：500 m。 (2)建立风电场 需要排 除的区域 风电场建立要排除河流、交通干线、湖泊水库 及坡度大于 30。的地 区。 (3)参考风电机 参考风电机是 Vestas V80型机组，风电机间 的最短距离应 3倍于转子直径。 (4)风 电机在不 同风速下的年均发 电量 风电机在不同风速下的年均发电量由丹麦工 业联合会的风轮机功率计算器(http：／／www．wind． power．org／en／tour／wres／pow／index．htm)，根据地表粗 糙度计算获得。 2 评估结果 根据国家气象局提供的资料，对江苏省 13个 气象站点在 1951～2006年的日风速观测数据进 行统计分析，使用公式(1)进行推算，得出江苏省 13个气象站点的 80 m高度上的四季平均风速计 算结果如表 l。 表 1 江苏省 l3个气象站点8O m高度上的风速 Table 1 Wind speed at 80 m height from 13 meteorological stations in Jiangsu Province m／s 地 市 徐 州 赣榆 盱眙 淮 阴 射 阳 南京 高邮 东 台 南通 吕泗 ． 平均风速 春季 夏季 秋季 冬季 2．93 2．6O 2．03 2．27 3_33 2．90 2．43 2．60 3．23 2．73 2．43 2．70 3．07 2．60 2．23 2．47 3：70 3。17 2．93 3．27 2．77 2．57 2．23 2．43 3．03 2．63 2．33 2．60 3_3O 2．90 2．53 2．77 3．3O 3．O3 2．73 2．97 4．10 3．70 3．6O 3．90 80m高度平均风速 幂 辜 为 了直观地揭示 江苏省陆地 风能资 源的时 空分布特征，借助美国 ESRI公司开发的地理信 息系统分析软件～ArcGIS9．2，对上述所计算的 13个站点风能资源量进行统计分析 ，并选择径 向基 函数 (Radial Basis Function)中的规则 样条 函数插值法 (Completely regularized spline)[141，绘 制出江苏省陆地 80 m高度上的四季均风速分布 图(图 1)。 从图 1可以看出 ，80m高度上 ，江苏省风能资 源较丰富，均风速都在 3 rrds以上，达到评估方法 所要求的最低风速条件。按 80 m高度上四季平均 风速的大小．从数据计算结果及前人所做的研究 [151 ， 江苏省风能资源 自然分布可直观地分为 3个 区：以连云港近海的西连岛地区风能资源最为丰 富。属风能资源的 I类区域：其次为沿海地区、长 江三角洲一带、淮河两岸 、洪泽湖、高邮湖东部 · 111· 8 l 7 O 6 4 1 7 9 6 5 1 2 9 1 8 1 3 6 1 3 4 4 3 5 3 4 4 4 6 跗 ∞ 3 3 3 3 4 3 3 4 4 5 n 船 n ∞ ∞ 4 4 4 4 5 4 4 4 4 5 3 7 l 5 5 7 9 1 l 8 6 2 l 8 8 3 7 2 2 4 4 5 5 4 5 4 4 5 5 6 3 3 5 斛 舵 3 3 5 卯 4 3 5 3 2 5 6 4 8 4 4 5 3 O O 4 5 5 2 2 3 2 2 3 7 O 7 7 5 5 2 2 3 3 O O 9 8 7 2 2 3 东 州 阳 县 常 溧 吴 可 再 生 能 源 图 1 江苏省四季 80nl高度陆地均风速分布 图 Fig．1 Map of Season’S wind distribution at 80 m height in Jiangsu Province 及东南部沼泽地带、太湖东部等地区。属风能较丰 富的Ⅱ类区域；西部内陆为风能资源的Ⅲ类地区。 在场地选择上．使用中科院2000年 1：25万 的土地利用矢量 图 。在 arcgis9．2软件 中 ，设定按 照评估方法要求设定距离数(表 2)进行空间分析 处理，生成一系列的新区。在江苏省域内依次切除 这些区域 ，剩下的是可以装风 电机 、设风 电站的适 宜区。考虑到江苏省地势平坦、河湖密布的地形特 点 ．在排除不适宜建设风电场 的区域 时没有考虑 当地的地势因素。 表 2 江苏省风 电站选址排除区域 Table 2 Exclusion area for wind power plant construction in Jiangsu Province 排除区域 限制因素 铁路、公路+缓冲 150 in 城市、厂矿、居民区+缓冲500m， 村庄+缓冲250in 水域+缓冲400in 林区+缓冲500nl 安全、视觉污染 安全 、视觉污染 成本、环境污染 环境污染、土地使用限制 通过叠加分析处理 ．江苏省共计有 18 133．4 km2的装机适宜装机区，其中平均风速高、紧邻大 · 112· 海的盐城市和南通市面积最大，最适合风电站的 建设，如图 2所示。 图 2 江苏省各地 市风 电机装机适宜区 Fig．2 Suitable areas for installing wind turbines in cities of Jiangsu Province 在进行资源评估时．为了不影响当地的农业 用地．只设定 10％的适宜区作为可利用风能资源 潜力评价区，其面积有 1 813．3 km 。按照参考风电 机 Vestas V80的装机要求。在这些装机评价区。 共计可以安装 40 104台风电机组。江苏省各个地 划光旭 等 ( 1S枝 朱支持下的江 苏省可用风能资源评 估研究 市风电机的分布情况如图3所示。 图 3 江苏省各个地市可装风 电机分布图 Fig．3 Distribution map of potential wind turbines in cities of Jiangsu Province 根据江苏省春夏秋冬 四季 80 m 的平均风速 和 1．5级的粗糙度．使用丹麦工业联合会的风轮 机功 率计算 器 (http：／／www．windpower．org／en／tour／ wigs／pow／index．htm)．可估算出各个地市的风能资 源发电总量，计算结果如表3。 表中可以看出．沿海的南通市和盐城市有较 大适宜区来建造风电场，10％的适宜区，南通市可 建造 10 785座风电机，而盐城市可建造 12 363座 风电机 ；而且这 2个市地表平整 、风速较大 ，风况 具有典型的季风特征 ，一年 内风 向交替变化 ，秋冬 季节盛行北风和东北风，春夏季以东南风为主，全 年以北风、东北风和东南风为主，很有规律 性 【 ] 因此开发风能资源的潜力较高，年均发电量可 达 38 847．54 GWh和 57 607．51 GWh，江苏省在建 和拟建的风电场也都位于这些地 区，如南通的启 东 、如东 ，盐城的大丰、射 阳、滨海等。 总的来说 ，从技术层面考虑 ，在不影响工农业 表 3 江苏省各个地市四季风 电资源情况 Table 3 Season’s wind power resources in cities of Jiangsu Province 发展的前提下 ，在 10％的适 宜区 内，江苏省 可安 装 40 104台 Vestas V80型风 电机组 ．年均风电发 展潜力可达 146336．16Gwh，这个结果是江苏省 2006年全社会用电量 295 000 GWh的近 50％。如 果考虑到当地的经济发展水平和风电场的集约化 管理，制定江苏省的风电发展战略步骤，首先在最 适宜风电发展的沿海地区(如图 4)进行风电场建 设开发，随着经济社会发展的需要逐步由沿海向 内地扩展。这样 。最佳适宜区的面积有5 167．8 km ，可 安装 11 429台 风 电机 组 ．年 可 发 电 量 33 237．95 GWh，这可以有效地缓解江苏省的用电 紧张局面，防范本地的传统能源使用风险。 图4 江苏省风电场最佳适宜区 Fig．4 Most Suitable Area for Wind Farm In Jiangsu Province · ll3· 可 再 垒 能 源 3 结论和讨论 本文在评估方法选择上没有用单一风速指标 来评估江苏省的风能资源潜能。而是根据当地四 季风速的分布情况，排除不适宜风电机安装的区 域，根据可安装的风电机个数和风电机的功率值 计算得出了各个地市风能资源发展的潜力 。评估 结果准确可信，可直接为当地经济发展服务。 从防范传统能源风险的经济角度考虑。我国 现在 风 电每千 瓦 的装 机容量 投 入成 本大 概是 8 000元左右 ．风电发电成本在 0．4元／kWh到 0．6 元／kWh之间，和火 电的发电成本 已相差无几 ．其 投资 回收年限为 13 a左右，随着技术 的进步和设 备国产化，估计投资回收年限到 2020年会降至7 年以下 ，具有回收快、价格低廉的成本优势。通过 技术引进。实现设备国产化还能极大地促进产业 进步。风电场的建设如规划 、安装 、维护、发电的操 作监控及其他服务 ，既可以通过招标的方式引进 外资，还可以提供更多的就业机会。风电场选址常 在偏远 的地区 。大规模 的风电场的建设常会改变 一 个地区的经济面貌，提高当地居民的收入，因 此．通过发展风力发电来防范传统能源风险具有 极高的经济效益 。从生态环境方面考虑 ，风力发电 几乎没有任何环境成本．它不会造成温室气体排 放、酸雨 、烟雾及辐射等环境污染 。随着全球变暖 趋势加剧 ．二氧化碳排放成为全球最受关注的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。风力发 电的二氧化碳排放量约为 7 g／kWh，远 低于煤 电的 964 g／kWh 、石油的 726 g／kWh和天然 气的484 g／kWh，按我国每kWh电的二氧化碳排 放量约为 997 g计算[331，每使用 1kWh风电，即可 减少二氧化碳排放量 990 g。如果在最适宜风电发 展的江苏省沿海地区实现风电的全面发展 ，年发 电量达到 33 237．95 GWh，可减少二氧化碳排放 量 16 569 119．81 t，因此，以发展风电来替代传统 能源资源，防范传统能源风险方面有不可替代的 优势 ．还可带来可观的生态环境效益 。 参考文献： ⋯1 KHANH Q NGUYEN．Wind energy in Vietnam：Re— source assessment，development status and future impli— cations[J]．Energy Policy，2007(35)：1405—1413． 121 AKERMANN 1’．SODER L．An overview of wind ener— gy—s【aIlJs 2oo21J1．Renewable&Sustainable Energy · l14· Reviews，2002(6)：67—128． [3] ERIC MARTINOT．可再生能源发展巾心、中同计嚣院 鉴衡认证中心[译]．全球可再生能源状况 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 【M}． E 京 ：世界观察研究所和德 国技术合作 公司．2005． [4】 汪青春 ，秦宁生 ，朱西德，等．基于气象站 资料的青海 竹 风能资源评估分析fJ】．青海科技，2008(2)：26—31． [5】 商兆堂 ，刘索成 ，孙克渠，等．江苏淮北 沿海风能 资源分 析fJ1．可再生能源 ，2007，25(2)：63—65． 【6] 黄晓梅，黄贞岚．GIS技术在能源行、I 的应用【J1．汀两能 源 ，20o3(3)：27． [71 庄幸 ，张正敏．可再生 能源资 源评价与 GIS技 术的成 用【J1．中国能源 ，2000(10)：26—30． [8] T V RAMACHANDRA，B V SHRUTHI．Wind energy potential mapping in Karnataka，India，using GIS⋯． Energy Conversion and M anagement，2005，46： 1 56l一1578． 【9】 G QUINONEZ—VARELA，A CRUDEN，C GRAHAM．et ． A GIS／PSS planning tool for the initial grid eonl3ee— tion assessment of renewable generation[J]．Renewable Energy，2007，32：727—737． 【10]CHENG-DAR YUE，SHI-SIAN WAN(；．( IS—bascd e— valuation of multifarious local renewable el|el’gY sources：a case stud),of the Chigu area of southwestero Taiwan[J]．Energy Policy．2006，34：730-742． 【l1】NGUYEN Q K．Long term optimization ot energy sup— ply and demand in Vietnam with speeial referenee to the potential of renewahle energy【I)1．Oldenburg：the Carl von Ossietzky University of Oldenimrg，2004． 【1 2】GRUBB M J，MEYER N 1． Wind energy：resources， systems，and regional strategies fU1．Island PrCSS． Washington DC．：Renewable Energy-- Sotir(!es fol’Fuel and Electricity． 1993． 【l3] T SHAKTHI VARMAN，P．PRIYADHARSHINI，R．R． CHARANYA．et ．Site suitability analysis for wind farming using GIS【EB／OL]．http：／／w~v．gisdevelopment． net／proceedings／mapindia／2006／student％ 20oral／ miO6stu 一 78．htm，2009—09—26． fl4】汤国安 ，杨昕．ArcGIS地理信息系统空问分析实验 救 程【M1．j￡京 ：科学出版社 ，2006．345—380． 【15】高峰．汀苏省风能资源开发 利用【J]．水力发电，2000 (9)：59—60．