復(fù)雜地形條件下風(fēng)電場風(fēng)能資源評估研究－以西南某風(fēng)電場為例

（上海勘測設(shè)計研究院，上海 200434）

（上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434）

對于復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場風(fēng)能資源評估，不能只局限于對測風(fēng)塔及氣象站資料的評估。本文通過講述復(fù)雜地形條件下風(fēng)能資源評估基本流程，利用已有的測風(fēng)塔資料和先進的流體力學(xué)軟件，對風(fēng)電場進行風(fēng)能資源分布研究，為進一步合理開發(fā)風(fēng)電場風(fēng)能資源提供了有利的技術(shù)支持。

復(fù)雜地形；山地風(fēng)電場；流體力學(xué)；風(fēng)能資源評估

0 引言

目前，我國風(fēng)電場風(fēng)能資源評價遵循的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括《地面氣象觀測規(guī)范》（中央氣象局，1979年）、《風(fēng)力發(fā)電場項目可行性研究報告編制規(guī)范》（原電力工業(yè)部，1997年）、《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》（GB/T18709－2002）[1]、《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T18710－2002）[2]、《風(fēng)電場工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（中國水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，2007年）等。以上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只是針對場址內(nèi)已有的測風(fēng)塔資料，及結(jié)合附近區(qū)域氣象站觀測資料進行統(tǒng)計、分析及評估，通過單點（測風(fēng)塔、氣象站）數(shù)據(jù)分析結(jié)果來反映風(fēng)電場場址區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能資源分布[3]。以上分析結(jié)果在三北及平坦地形區(qū)域內(nèi)會有一定的代表性，但隨著目前風(fēng)電場逐步向西南區(qū)域擴展，地形條件也越來越復(fù)雜，風(fēng)能資源隨著地形的變化會有很大的區(qū)別。現(xiàn)在我們對復(fù)雜地形場址區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能資源評估，并不只能局限在對測風(fēng)塔及氣象站資料評估研究，而是要通過現(xiàn)有的資料及結(jié)合先進的流體力學(xué)軟件來對整個風(fēng)電場進行評估研究。通過以西南某風(fēng)電場為例，來進一步說明復(fù)雜地形條件下的風(fēng)能資源評估過程。

1 概述

風(fēng)電場場址地形地貌屬于山地丘陵，地形較為復(fù)雜，場址中心地理坐標(biāo)約為東經(jīng)111°20′12″，北緯24°42′05″，區(qū)域平均海拔在280m－870m之間，總體地勢由北部白雞嶺逐步向南到蚊帳嶺為峰點，再繼續(xù)向南延伸至東沖嶺、油麻嶺時海拔逐漸走低，天堂嶺向（西北—東南）兩側(cè)延成一條連綿的山脊，天堂嶺向西北延至金子嶺，達到峰點后地勢逐漸走低，東南側(cè)山脊也呈逐漸走低的趨勢。從大區(qū)域地形走向上看，風(fēng)電場所在區(qū)兩側(cè)地形高而中部地形較低，易形成“狹管效應(yīng)”，構(gòu)成南、北氣流的“通道”，使得該區(qū)域以正北正南風(fēng)為主，山脊走向風(fēng)與主導(dǎo)風(fēng)向的垂直使得該區(qū)域的風(fēng)能得到更好的開發(fā)利用，如圖1所示。風(fēng)電場所在地區(qū)通公路、鐵路，場內(nèi)地形較平緩，場址內(nèi)外不存在制約設(shè)備運輸因素。

2 場址區(qū)域內(nèi)測風(fēng)數(shù)據(jù)概況

2.1 氣象站資料

收集到氣象站1981年－2010年歷年年平均風(fēng)速，如圖2所示。氣象站多年（1981年－2010年）年平均風(fēng)速為2.50m/s，多年年際風(fēng)速變幅在1.9m/s－3.1m/s之間，最大風(fēng)速年為1983年（3.1m/s），最小風(fēng)速年為1994年（1.9m/s）。從風(fēng)速的年際變化上取5－10年為一段來分析，如圖3所示。氣象站近30年年平均風(fēng)速為2.5m/s，近25年平均風(fēng)速為2.4m/s，近20年平均風(fēng)速為2.3m/s，近15年平均風(fēng)速為2.3m/s，近10年平均風(fēng)速為2.2m/s，近5年平均風(fēng)速為2.3m/s。

2.2 測風(fēng)塔資料

風(fēng)電場場內(nèi)立有主版號為10666#測風(fēng)塔，塔高70m，海拔467m，地理坐標(biāo)為 E 111 ° 20′17.1"，N 24 ° 42′17.9"；主版號為10940#，塔高70m，海拔645m，地理坐標(biāo)為 E 111° 20′15.3"、N 24°41′1.8"。兩塔海拔相差178m，如圖4所示。

2.3 測風(fēng)塔資料分析

10666＃、10940＃測風(fēng)塔因地理位置不同，導(dǎo)致月平均風(fēng)速也存在大小不等的差異。各測風(fēng)塔80m高度月平均風(fēng)速對比分析結(jié)果如表1所示，主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Ρ热绫?所示。

從表1 可以看出，兩測風(fēng)塔80m 高度代表年平均風(fēng)速分別為7.6m/s、5.3m/s，兩座測風(fēng)塔月平均風(fēng)速總體變化趨勢基本一致。

圖1 風(fēng)電場內(nèi)外地形走向圖

圖2 氣象站多年風(fēng)速年際變化圖

圖3 氣象站多年平均分段變化曲線圖

從圖4上分析各測風(fēng)塔風(fēng)速差異的原因，10940＃測風(fēng)塔四周地形最開闊，位置海拔高，且處于南北風(fēng)速通道上，風(fēng)向上基本無阻擋。10666＃測風(fēng)塔位置海拔較低，周圍環(huán)境較復(fù)雜，其三面有環(huán)山，且距離較近，湍流較大，風(fēng)速受峽谷風(fēng)影響切變較大，如圖5所示。

表2 兩測風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Ρ缺?/p>

圖4 風(fēng)電場內(nèi)10666#、10940#測風(fēng)塔具體位置示意圖

圖5 氣象站及測風(fēng)塔不同高度風(fēng)向玫瑰圖

表1 兩測風(fēng)塔 80m 高度月平均風(fēng)速對比表 單位：（m/s）

2.4 測風(fēng)塔的選取

根據(jù)上述各測風(fēng)塔不同風(fēng)能指標(biāo)分析，結(jié)合場內(nèi)兩塔具體地理位置、地形地貌具體因素發(fā)現(xiàn)：風(fēng)電場地勢南高北低， 10666#基準(zhǔn)海拔467m，與10940#測風(fēng)塔基準(zhǔn)海拔（645m）相差178m，10666#測風(fēng)塔地處局部山谷之中，受周圍高海拔山脊影響，該塔與10940#測風(fēng)塔兩高度風(fēng)向有所偏差，與大地形下的盛行風(fēng)向偏差尤為明顯。風(fēng)速也受地形影響較明顯（10666#與10940#測風(fēng)塔70m高度同期風(fēng)速相差約2.3m/s－3.3 m/s之間），兩測風(fēng)塔所測數(shù)據(jù)的差異與海拔高度、所處地理位置、周圍環(huán)境等因素影響居多，同時考慮風(fēng)電場可利用區(qū)域海拔在400m－800m之間，而10940#測風(fēng)塔從所處地理位置、所測風(fēng)速、風(fēng)向上更具代表性。

綜合考慮上述因素，為更合理評估場址風(fēng)能資源分布，選擇10940#測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)進行風(fēng)電場的風(fēng)能資源評估，同時參考10666#測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)進行驗證分析。

3 場址區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源計算

根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)能資源分析所確定的歷時風(fēng)速、風(fēng)向系列資料，結(jié)合選定的風(fēng)電機組機型功率曲線和風(fēng)機布置方案，借助風(fēng)能資源評估軟件Meteodyn WT，進行風(fēng)電場年發(fā)電量計算。通過WT軟件，利用場內(nèi)測風(fēng)塔風(fēng)數(shù)據(jù)，模擬出以場內(nèi)中心點向外延伸8km為半徑的資源分布。

由圖6中的風(fēng)速圖例可以看出，風(fēng)電場沿山脊機位點80m高年平均風(fēng)速在5.8m/s－7.2m/s之間較為集中，與場內(nèi)測風(fēng)塔實測風(fēng)速值較為吻合。

由圖7風(fēng)功率密度圖例中得，風(fēng)電場沿山脊機位點80m高年平均風(fēng)功率密在328W/m2－435W/m2之間集中分布。

圖6 風(fēng)電場80m高度年平均風(fēng)速分布圖

圖7 風(fēng)電場80m高度年平均能量密度分布圖

4 結(jié)論

以上是對復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的一個基本流程，通過以上分析，利用已有的測風(fēng)塔資料和先進的流體力學(xué)軟件進行風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能資源分布分析，為進一步合理開發(fā)風(fēng)電場風(fēng)能資源提供了有利的技術(shù)支持。對于復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場風(fēng)能資源的評估研究，不能只局限于對測風(fēng)塔和氣象站資料分析，還要與整個風(fēng)電場的開發(fā)結(jié)合在一起，這樣才能更加科學(xué)、客觀地指導(dǎo)我們的設(shè)計工作。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18709-2002 風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18710-2002風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[3]宮靖遠.風(fēng)電場工程技術(shù)手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

復(fù)雜地形條件下風(fēng)電場風(fēng)能資源評估研究－以西南某風(fēng)電場為例

楊永輝

Wind Energy Resource Assessment Study of Complex Terrain- An Example of a Southwest Wind Farm

Yang Yonghui
(Shanghai Investigation Design & Research Institute, Shanghai 200434, China)

For wind energy resource assessment under complex terrain conditions of wind farm, it shouldn’t be only limited to the evaluation of tower and weather station data. Through describing the conditions under complex terrain wind energy resource assessment of basic processes, using the existing masts information and advanced fluid dynamics software, this paper studied wind energy resources distribution of wind farm and provided a favorable technical support.

complex terrain; mountain wind farm; fluid dynamics; wind energy resource assessment

TM614

A

1674-9219(2013)07-0104-04

2013-04-10。

楊永輝（1980-），男，工程師，碩士，長期從事風(fēng)電場工程設(shè)計與研究工作。