李彩娟 霍麗芳 牛連杰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

風(fēng)力發(fā)電對(duì)張家口風(fēng)速影響分析

李彩娟 霍麗芳 牛連杰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

收集并整理了張家口地區(qū)1999-2013年的風(fēng)力數(shù)據(jù)以及2005-2013年的風(fēng)電裝機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)繪制出風(fēng)速變化圖.文中利用SAS軟件，進(jìn)行了年風(fēng)速與年裝機(jī)臺(tái)數(shù)、裝機(jī)容量、新增裝機(jī)容量之間的相關(guān)性分析，結(jié)果顯示它們之間不具備顯著的相關(guān)性；進(jìn)一步分析了風(fēng)速與年裝機(jī)臺(tái)數(shù)、裝機(jī)容量、新增裝機(jī)容量的平方之間的相關(guān)性，并給出線性回歸方程，結(jié)果表明具有顯著相關(guān)性.分析表明，裝機(jī)容量的增加不僅沒(méi)有減少?gòu)埣铱诘貐^(qū)的風(fēng)速，而是逐年有遞增趨勢(shì).

風(fēng)速;裝機(jī)容量;相關(guān)性;回歸

0 引 言

張家口市地處東亞大陸性季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，屬于典型的大陸性干旱和半干旱地區(qū)，其典型的氣候特點(diǎn)是“風(fēng)大”.因此，該市也成為了國(guó)內(nèi)少有的風(fēng)能資源富集地區(qū).據(jù)測(cè)算全市風(fēng)資源可開發(fā)容量達(dá)2000萬(wàn)千瓦以上,可開發(fā)規(guī)模達(dá)1170萬(wàn)千瓦以上，且可開發(fā)區(qū)域地勢(shì)平坦、交通方便，且地處京津塘地區(qū)的電力負(fù)荷中心，具備建設(shè)世界級(jí)大型風(fēng)電場(chǎng)的良好條件.近年來(lái)，張家口市緊緊抓住國(guó)家鼓勵(lì)清潔能源發(fā)展的良好機(jī)遇，積極推進(jìn)風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè).2007年，壩上地區(qū)被確定為全國(guó)第一個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地；2009年，又被確定為全國(guó)首個(gè)雙百萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地.截至目前，全市已建成風(fēng)電場(chǎng)87個(gè).另有續(xù)建項(xiàng)目7個(gè)、新開工2個(gè)、核準(zhǔn)未開工項(xiàng)目17個(gè)，預(yù)計(jì)2015年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到700萬(wàn)千瓦以上.截至目前，全市風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到610萬(wàn)千瓦，并網(wǎng)580萬(wàn)千瓦(圖1)，繼續(xù)保持全國(guó)領(lǐng)先地位，成為華北重要的新型能源產(chǎn)業(yè)基地.

與此同時(shí)，我們的近鄰北京卻正在遭受著越來(lái)越嚴(yán)重的“霧霾”的困擾，霧和霾，原本都是自然現(xiàn)象，但如今人為因素成了不可忽視的誘因.構(gòu)成霾的元兇PM2.5，主要來(lái)自工業(yè)污染、汽車尾氣、冬季取暖等等人為活動(dòng).霧霾的治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù)，目前北京的清新空氣和蔚藍(lán)天空的出現(xiàn)似乎只能借助于“風(fēng)”，民間甚至有一種說(shuō)法，是張家口的風(fēng)力發(fā)電偷走了北京的風(fēng)，所以北京才會(huì)出現(xiàn)霧霾.這種說(shuō)法有沒(méi)有道理，風(fēng)力發(fā)電到底會(huì)不會(huì)減弱風(fēng)的速度？本文將根據(jù)張家口近些年風(fēng)電裝機(jī)的容量和歷年氣象數(shù)據(jù)結(jié)合一起來(lái)研究分析這一問(wèn)題.

1 背 景

近年來(lái)，一些研究利用近50年中國(guó)氣象觀測(cè)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，多數(shù)研究表明中國(guó)風(fēng)速有明顯下降趨勢(shì)，如任國(guó)玉等采用國(guó)家基準(zhǔn)氣候站和基本氣象站的地面資料分析得出結(jié)論：全國(guó)年平均風(fēng)速近40年來(lái)呈明顯減弱趨勢(shì)，減小速率大于每10年0.1 m/s.一些氣象專家還分析得出了1969-2000年全國(guó)平均風(fēng)速穩(wěn)定下降了28%.趙宗慈、江瀅等通過(guò)大量的觀測(cè)和數(shù)值模擬研究表明,風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行明顯減小下游風(fēng)速.一些數(shù)值模擬研究表明,如果建立大量大型風(fēng)電場(chǎng),這些風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行將可能造成風(fēng)速減小.

與此同時(shí)，有實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)置和運(yùn)行會(huì)明顯影響到下游方向的風(fēng)速.丹麥一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的觀測(cè)資料顯示，大風(fēng)進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速若是8～9 m/s,經(jīng)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)對(duì)動(dòng)量的吸收和一定高度風(fēng)機(jī)的摩擦力作用等，在風(fēng)電場(chǎng)的下游方向測(cè)得的風(fēng)速明顯衰減，其下風(fēng)方向在6km處的風(fēng)速與原有風(fēng)速比值為0.86,在8 km處的比值為0.88，而后有緩慢回升，到11 km處的比值是0.90，還沒(méi)有恢復(fù)到原有水平.數(shù)值模擬證實(shí)風(fēng)電場(chǎng)影響風(fēng)速衰減的距離可以達(dá)到30～60 km.

2 數(shù)據(jù)搜集與整理

表1 張家口1990-2013年總風(fēng)速、年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)

圖1 1990-2013年張家口市年平均風(fēng)速的變化

圖1和圖2分別是1990～2013年張家口市年平均風(fēng)速和距平的變化.1990～2013年，張家口市年平均風(fēng)速呈小幅遞增趨勢(shì)，23年間的遞增率約為0.021 m/s·a.但期間存在階段性的變化.1990～1993年，張家口市年平均風(fēng)速逐年上升.1993～2003年，張家口市年平均風(fēng)速整體呈下降趨勢(shì)，十年間的遞減率約為0.064 m/s·a，風(fēng)速減小幅度較大.2003-2011年，張家口市年平均風(fēng)速整體呈上升趨勢(shì)，八年間的遞增率約為0.015 m/s·a，風(fēng)速增加幅度較小.2012-2013年，年平均風(fēng)速出現(xiàn)大幅度增大，2012年平均風(fēng)速達(dá)到3.2 m/s，與2011年相比增加約0.9 m/s.

圖2 1990-2013年張家口市年平均風(fēng)速距平的變化

3 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)張家口風(fēng)速變化的影響分析

表2 2005-2013年全市風(fēng)電裝機(jī)、年總風(fēng)速情況表

3.1 相關(guān)性分析

1)運(yùn)行結(jié)果.

z1z2z3y

z11.00000 0.99798 0.99396 0.74569

<.0001 <.0001 0.0211

z20.99798 1.00000 0.99696 0.77748

<.0001 <.0001 0.0137

z30.99396 0.99696 1.00000 0.78062

<.0001 <.0001 0.0130

y0.74569 0.77748 0.78062 1.00000

0.0211 0.0137 0.0130

2)結(jié)果分析.

y與z1的相關(guān)系數(shù)為ρyz1=0.7459，相關(guān)檢驗(yàn)為

H0∶ρyz1=0←→H1∶ρyz1≠0，

檢驗(yàn)的P值為p<0.0211<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為y與z1是顯著相關(guān)的.

類似可得，y與z2是顯著相關(guān)的，y與z3是顯著相關(guān)的，

3.2 回歸分析

1)z1、z2對(duì)y的回歸.

參數(shù)估計(jì)

β0=861.90026,β1=-0.00012489,β2=0.00679

相關(guān)檢驗(yàn)

(1)H0∶β1=β2=0←→H1∶β1,β2不全為0，檢驗(yàn)的P值為p=0.0049<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為z1,z2對(duì)y的線性回歸關(guān)系是顯著的.

(2)H0∶β1=0←→H1∶β1≠0，檢驗(yàn)的P值為p=0.0300<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為z1對(duì)y的影響是顯著的.

H0∶β2=0←→H1∶β2≠0，檢驗(yàn)的P值為p=0.0206<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為z2對(duì)y的影響是顯著的.

所以得

y=861.90026-0.00012489z1+0.00679z2

2)z1對(duì)y的回歸.

參數(shù)估計(jì)

β0=826.28493,β1=0.00001245

相關(guān)檢驗(yàn)

H0∶β1=0←→H1∶β1≠0,檢驗(yàn)的P值為p=0.0211<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為z1對(duì)y的線性回歸關(guān)系是顯著的.

所以得

y=826.54696+0.00001245z1

3)z2對(duì)y的回歸.

參數(shù)估計(jì)

β0=826.28493,β1=0.00064002

相關(guān)檢驗(yàn)

H0∶β1=0←→H1∶β1=0

檢驗(yàn)的P值為p=0.0137<0.05=α,所以拒絕H0，認(rèn)為z2對(duì)y的線性回歸關(guān)系是顯著的.

所以得

y=826.28493+0.00064002z2

4)z3對(duì)y的回歸.

類似可得y=833.13790+0.00066474z3

4 結(jié) 論

綜上所述，雖然很多專家提出質(zhì)疑，認(rèn)為大力發(fā)展風(fēng)電將減弱風(fēng)速，但是就張家口地區(qū)風(fēng)電大力發(fā)展以來(lái)的風(fēng)速數(shù)據(jù)分析，不僅沒(méi)有使風(fēng)速減小，還有遞增趨勢(shì)，而且與風(fēng)電裝機(jī)臺(tái)數(shù)等指標(biāo)的平方成正相關(guān).

雖然分析結(jié)果顯示不減弱風(fēng)速，但是京津地區(qū)最近幾年明顯有氣候異常現(xiàn)象出現(xiàn)，出于對(duì)風(fēng)能資源的研究，朱瑞兆教授認(rèn)為，風(fēng)速與冷空氣性質(zhì)存在著很大的相關(guān)性.不難想象，由于超大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電廠的消耗，很大一部分冷空氣已經(jīng)很難像以往那樣越過(guò)陜西、山西，到達(dá)中部的河南，形成降雨.它們驟然停滯在了華北平原，再與京津超級(jí)城市群中的熱空氣發(fā)生強(qiáng)烈對(duì)流作用，形成突如其來(lái)的降雨，今年北京連續(xù)出現(xiàn)家中看?，F(xiàn)象，剛好應(yīng)證了這一說(shuō)法，另一方面卻使得中東部地區(qū)遭遇連綿干旱.

[1]范金城,梅長(zhǎng)林.數(shù)據(jù)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2002.233～300.

[2]高惠璇等.SAS系統(tǒng)—Base/STAT軟件使用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,1997.

[3]任國(guó)玉、張愛(ài)英、王穎等，我國(guó)高空風(fēng)速的氣候?qū)W特征，地理研究，2009，28(6)：1584～1592

[4]趙宗慈、羅勇、江瀅等，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)氣候變化影響研究進(jìn)展，氣候變化研究進(jìn)展,2011，07:400～406

Analysis of the Impact of Wind Power on Wind Speed in Zhangjiakou

LICai-juan，HUOLi-fang，NIULian-jie

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

The wind data of 1999-2013 and the wind turbine data of 2005-2013 in Zhangjiakou area are collected and collated in this paper.According to the data,the figure of wind speed variation was drawn.Using Statistics Analysis System(SAS),a correlation analysis was made on annual wind speed and annual installed units,installed capacity and the additional installed capacity.The results show that they do not have significant correlation.But further analysis was made on annual wind speed and the square of annual installed units,installed capacity and the additional installed capacity,and the linear regression equation is written out.The results show there was significant correlation.According to the analysis,the increases of the installed capacity do not reduce the wind speed of Zhangjiakou area,but has an increasing trend year by year.

wind speed;installed capacity;correlation;regression

2015-03-20

2013年河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目，《風(fēng)能轉(zhuǎn)化對(duì)張家口地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速影響分析》(項(xiàng)目編號(hào)13274218)

李彩娟(1969-)，女，副教授，碩士，主要研究方向應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)相關(guān).

O 212.1

A