GIS理论下的大连市风能资源的地统计分析

第一章绪论

1.1研究背景
上个世纪80年代，辽宁省就已经幵始规划风电场的建设工作，并在全省范围内进行风能资源的统计普查工作。1993年6月，横山风电场在大连市的瓦房店建成，标志着辽宁省风电场零的突破。到目前为止，11座可以并网发电的风电场已经在辽宁省内建成，这11座并网发电的风电场拥有的风机数量达到了 203台，总装机容量到达了 127 MW。这11座并网发电的风电场的年总发电量达到了 2.5X108kWh，203台风力发电机的风能资源年利用小时数达到了 2000h/台。截止国家十五规划的末期，大连市共计投资建设风电场5个，它们分别是东岗风电场、横山风电场、獐子岛风电场、小长山风电场和大长山风电场，五个风电场的总装机容量达到了 40.05 MW，五个风电场共有风力发电机86台。
大连市缺乏充足的一次能源，大连市的原油和天然气需要外部输入，煤炭资源也极其匮乏。除此之外，随着大连市社会和经济的飞速发展，大连市的能源消耗也不断攀升，能源消耗对环境的影响也日益凸现。因此，大力发展可再生能源，如风力发电，对于大连市的可持续发展具有重要的意义。大连市地处辽东半岛，西面是渤海，东面是黄海，不仅地理位置极为重要，而且大连市拥有非常丰富的风能资源。在国家颁布并实施《可再生能源法》之后，大连市看到了国家大力发展可再生能源的有利契机，风能作为可再生能源的一种，也充分地享有了国家促进可再生能源发展的各种奖励政策。大连市作为风能资源丰富的地区，更应该大力发展风力发电，从而优化大连市的能源供应结构，保护大连市的生态环境，保障大连市的能源供给安全，使大连市的能源达到可持续发展。《大连市"十一五"能源发展规划》中指出，大连市应该在大连市风力发电规划的指导下，按照统一规划、有序开发的原则，以风力发电为重点，加快新能源和可再生能源幵发利用步伐，抓住国家《可再生能源法》颁布实施的有利契机，积极有效地发展风力发电。在大连市黄海、渤海的沿海地区，加速投资兴建风电场，重点开发东半岛沿海地区的风电场，从而完成大连市在"十一五"期间风力发电的装机容量达到200 MW。

1.2研究现状
目前国内将GIS与风能结合的研究主要是利用GIS超强的空间处理和分析功能，将风能资源数据在GIS平台上进行空间分析和制图输出。例如，刘光旭等人在《GIS技术支持下的江苏省可用风能资源评估研究》[2]中，收集江苏省的年逐月风能资源数据，根据风速的月份变化规律，利用GIS的空间处理和分析功能，对风能资源数据进行径向基函数插值。最终得出江苏省风资源的利用量，并根据江苏省风能资源的利用量对江苏省的风能资源进行制图，评估和分析研究。在GIS与风能相结合的研究中，有很多是在GIS技术支持下构建一个风能资源的评估：系统，重点研究系统实现过程中的开发思路、逻辑及应用架构、分析流程等问题。例如，刘达新等人在《基于GIS的风能资源观测评估系统研究中》[3]中利用.Net平台来对ArcEngine进行二次开发研究，并且鉴于ArcGIS和Orade9i能很好的互相兼容，使用Orade9i数据库来构建基于ArcGIS平台下的全国范围内的一个风能资源数据库。文章采集了全国近400个气象站和测风塔的风速数据、并且在ArcGIS平台下对数据进行存储、处理分析和制图等工作，最终利用上述工作的成果构建全国风能资源的评估分析系统。
在将GIS与风能的研究细化到市这一行政区划级别中，彭守凡和郑玉波在《基于GIS的阜新市风能资源分布研究》[4]中了初步阐述，文章详细讨论了阜新市风速和风功率密度的分布情况，并在详细了解阜新市风速和风功率密度的基础之上，利用数据库平台与GIS平台相结合，构建了阜新市的风能资源数据库，通过GIS平台对空间进行分析以及对风速和风功率密度数据进行处理，.最后利用GIS平台的制图功能，输出阜新市的风速和风功率密度分布图。由于目前国内风能资源的数据偏少，在GIS与风能相结合的研究中，有不少是利用GIS的空间分析和处理能力，模拟某一地区的风能资源分布状况，从而有效地弥补了基础数据不足这一缺点。高阳华等在《基于GIS的复杂地形风能资源模拟研究中》[5]中利用ArcGIS强大的空间分析和数据处理能力，对重庆市的高程数据和风速数据进行空间分析和处理。利用插值方法来生成重庆市的风速分布图。插值的结果表明，考虑地形因素，即考虑了地表坡度和坡向的差值方法的模拟效果更好，能更好地反映重庆市这一山地地区的风速分布，从而使本文为山地地区的风速插值方法的选取提供了参考。
张红卫等在《基于GIS的河南省风能资源时空分布及利用》[6]中收集了上世纪70年代至21世纪这三十年的河南省风速数据，文章采用了统计学与流体力学相结合的方法来分析风速数据，并且利用ArcGIS对风速数据进行空间分析处理，制图输出河南省风速分布图，并依据风速分布图对河南省的风能资源进行研究。张超等在《基于GIS技术的湖南风能资源精细化评估》中首先对湖南省的风速数据进行了中尺度的数值模拟，从而得出了分辨率很高的湖南省风速分布图。然后利用高分辨率的湖南省风速分布图和郴州市的地形地貌信息，通过ArcGIS平台的空间分析技术，分析郴州市在风能资源幵发利用方面存在的问题。最后计算郴州市的风功率密度，利用ArcGIS的制图功能绘制出郴州市在海拔高度为50米的风功率密度分布图，从而为郴州市的风电场规划选址提供有效的科学依据。

    1.3 研究内容 .........................13-14
第二章大连市风能资源概述 .........................14-20
    2.1 年平均风速 .........................15-16
    2.2 月平均风速 .........................16-17
    2.3 风速分布特征 .........................17-18
    2.4 有效风力小时数 .........................18-19
    2.5 风功率密度 .........................19
    2.6 风能资源储量 .........................19-20
第三章大连市风能数据的收集和计算 .........................20-37
    3.1 旅顺口区九头山风电场 .........................21-22
    3.2 金州区后海屯风电场 .........................22-23
    3.3 瓦房店市西中岛风电场 .........................23-25
    3.4 瓦房店市长兴岛风电场 .........................25-26
    3.5 瓦房店市驼山风电场 .........................26-29
    3.6 瓦房店市东岗风电场 .........................29-30
    3.7 房店市岛里风电场 .........................30-31
    3.8 大连市甘井子风电场 .........................31-32
    3.9 普兰店市皮口风电场 .........................32-34
    3.10 庄河市风电场 .........................34-35
    3.11 长海县风电场 .........................35-37
第四章大连市风能资源的地统计分析 .........................37-60
    4.1 地统计分析概述 .........................37-39
    4.2 大连市风能资源的正态QQPlot分布图 .................39-41
    4.3 大连市风能资源的反距离加权插值 .........................41-60
        4.3.1 10米风速的反距离加权插值 .........................42-47
        4.3.2 65米风速的反距离加权插值 .........................47-51
        4.3.3 10米风功率密度的反距离加权插值 ....................51-55
        4.3.4 65米风功率密度的反距离加权插值 ....................55-60
第五章大连市风电场的可行性分析 .........................60-64
    5.1 旅顺口区九头山风电场的可行性分析 .........................60
    5.2 金州区后海屯风电场的可行性分析 .........................60
    5.3 瓦房店市风电场的可行性分析 .........................60-62
    5.4 大连市甘井子风电场的可行性分析 .........................62
    5.5 普兰店市皮口风电场的可行性分析 .........................62
    5.6 庄河市风电场的可行性分析 .........................62
    5.7 长海县风电场的可行性分析 62-64

结 论

本文主要是在集中收集大连市风电场测风塔风速数据的基础上，计算大连市10米和65米的风速以及风功率密度，利用ArcGIS软件强大的空间分析和数据处理功能，来对大连市10米和65米的风速和风功率密度进行地统计分析，制作大连市10米和65米的风速以及风功率密度的正态QQPlot分布图和反距离加权插值图，并依据上述数据和反距离加权插值图来对大连市风电场的可行性进行分析和研究。首先，收集大连市风电场测风塔的风速数据，依据国家标准[17]对测风塔各个高度的'风速数据进行校验，整理出完整的平均风速数据。然后对整理出的完整的平均风速数据进行分析，建立平均风速的回归方程，插补出测风塔的年平均风速。之后根据测风塔各个高度的平均风速数据，计算出测风塔的风切变指数，从而计算出测风塔65m高度处的年平均风速。在上述数据的收集和计算的基础之上，对大连市10米和65米的风速以及风功率密度进行地统计分析，首先利用ArcGIS软件来制作大连市10米和65米的风速以及风功率密度的正态QQPlot分布图。然后对大连市测风塔数据的差值方法进行选择。首先考虑到大连市的地理特点，三面环海，气流由平坦的海面流经内陆后，由于摩擦阻力增大，动能消耗加快，风速明显减小。大连市风速是从海岸到内陆递减的，比较符合反距离加权插值的原理。其次，大连市测风塔主要集中在沿海地区，所以沿海地区的风速受中心点影响较大，内陆地区由于建筑物的阻挡等因素，风速受中心点的影响较小，也比较符合反距离加权插值的理念。

参考文献

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[2]刘光旭,吴文祥，张绪教,周扬.GIS技术支持下的江苏省可用风能资源评估研究[J].可再生能源，2010/28.
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[4]彭守凡，郑玉波.基于GIS的阜新市风能资源分布研究[J].黑龙江科技信息，2009/17.
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[6]张红卫,陈怀亮，张弘.基于GIS的河南省风能资源时空分布及利用[J].自然资源学报，2011/26.
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[10] lessandro Estelito GARCIANO, Masaru HOSHIYA, Osamu MARUYAMA. Development of aregional map of extreme wind  speeds in the phillippines[J]. StructuralEng., (2005)15-26.