江西省高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)中風(fēng)切變指數(shù)的研究

彭王敏子，陳勝東，姚 琳

(江西省氣象科學(xué)研究所，330046，南昌)

江西省高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)中風(fēng)切變指數(shù)的研究

彭王敏子，陳勝東，姚 琳

(江西省氣象科學(xué)研究所，330046，南昌)

利用高山風(fēng)場(chǎng)70 m高度測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究江西省高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切指數(shù)變化特征。描述及總結(jié)了3處高山風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)切變指數(shù)的日變化、月變化、季節(jié)變化特征及規(guī)律。分析結(jié)果表明地形和地表粗糙度是影響江西省高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變指數(shù)的主導(dǎo)因素。該結(jié)果能為江西省高山風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供可靠的參考。

高山；風(fēng)能資源評(píng)價(jià)；風(fēng)切變；指數(shù)計(jì)算

0 引言

風(fēng)力發(fā)電主要是利用近地層中風(fēng)的動(dòng)能資源，而近地面層風(fēng)速因大氣運(yùn)動(dòng)自身特性以及下墊面環(huán)境的影響，往往呈現(xiàn)氣流隨高度的不均勻分布特性，輪轂高度處的風(fēng)切變成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承受的最基本外部載荷條件，風(fēng)切變不但是制約風(fēng)機(jī)性能的重要參數(shù)，而且是影響風(fēng)電效益發(fā)揮的重要因素[1]。風(fēng)切變對(duì)風(fēng)力發(fā)電有負(fù)面和正面的影響，負(fù)面影響主要表現(xiàn)在：如果風(fēng)切變過(guò)大，則在葉片掠面上的風(fēng)力載荷分布非常不均衡，這將在一定程度上影響到葉片和機(jī)艙的使用壽命安全。正面影響主要體現(xiàn)在風(fēng)切變?cè)酱笥欣谕ㄟ^(guò)提高風(fēng)機(jī)輪轂高度獲取更多的風(fēng)能[2]。我國(guó)地域廣闊，各地地形千差萬(wàn)別，大環(huán)流形勢(shì)也不盡相同，切變指數(shù)往往存在較大差異，此外，不同季節(jié)。同一天不同時(shí)段風(fēng)切變指數(shù)也存在差異。要進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)科學(xué)、合理布設(shè)，需要掌握不同狀況下風(fēng)切變的特征和變化規(guī)律。目前，對(duì)風(fēng)切變的研究應(yīng)用大多是在大氣污染控制以及對(duì)飛機(jī)起降的安全控制等方面，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)運(yùn)行的風(fēng)切變特征研究較少，江西省風(fēng)能資源的評(píng)估及特性研究也主要是針對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)[3]。本文利用江西省高山風(fēng)場(chǎng)3座70 m高度測(cè)風(fēng)塔一年完整觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究江西省高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變指數(shù)變化特征，為江西省高山風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐，對(duì)加強(qiáng)風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用具有實(shí)際意義。

1 風(fēng)切變指數(shù)定義

風(fēng)切變是指風(fēng)矢量在垂直方向上的空間變化。在近地層中，風(fēng)速隨高度有顯著變化，造成風(fēng)在近地層中的垂直變化的原因有動(dòng)力因素和熱力因素，前者主要來(lái)源于地面的摩擦效應(yīng)，即地面的粗糙度，后者主要表現(xiàn)為近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系。當(dāng)大氣層結(jié)為中性時(shí)，湍流將完全依靠動(dòng)力原因來(lái)發(fā)展。風(fēng)切變冪律表示近地層風(fēng)速隨高度呈指數(shù)變化的規(guī)律。風(fēng)電場(chǎng)選址時(shí)普遍使用指數(shù)律[4]，即：

v2=v1(Z2/Z1)α

(1)

α=(lnv2-lnv1)/(lnz2-lnz1)

(2)

式中：α為風(fēng)切變指數(shù)；v2為高度Z2的風(fēng)速(m/s)；v1為高度Z1風(fēng)速(m/s)。

本研究中10～70 m相鄰各層10～30 m、30～50 m、50～70 m間的風(fēng)切變指數(shù)直接按式(2)計(jì)算。另外10～70 m間的綜合切變指數(shù)可用各測(cè)風(fēng)塔4個(gè)高度平均風(fēng)速用冪指數(shù)擬合法進(jìn)行計(jì)算。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用江西省高山風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)3個(gè)測(cè)風(fēng)塔連續(xù)1年的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)風(fēng)塔詳細(xì)信息見(jiàn)表1。根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB/T18710-2002)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)3個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的一致性、合理性進(jìn)行判別，并且對(duì)重大天氣過(guò)程，如強(qiáng)冷空氣、熱帶氣旋等天氣條件下風(fēng)速的合理性進(jìn)行判斷，挑出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)關(guān)系以及可供參考的傳感器同期記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析、處理、替換、整理出測(cè)風(fēng)塔連續(xù)一年的實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，使其有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到100%。

表1 測(cè)風(fēng)塔情況一覽表

3 結(jié)果分析

3.1風(fēng)速隨高度的變化差異

大氣邊界層的風(fēng)場(chǎng)分布除受到大型天氣系統(tǒng)的影響外，更受地形作用、下墊面性質(zhì)不同引起熱力作用等影響，是3種因素共同作用的結(jié)果，使得風(fēng)場(chǎng)具有獨(dú)特的垂直、水平結(jié)構(gòu)，并有明顯的時(shí)間變化[5]。

圖1為3個(gè)測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速隨高度的變化曲線。從圖1可以看出：水槎和桃花尖風(fēng)場(chǎng)處的風(fēng)速隨高度的變化較為一致。低層10～30 m高度有明顯的增大趨勢(shì)。之后的30～70 m高度風(fēng)速增大趨勢(shì)不明顯，部分高度層甚至有下降的趨勢(shì)。海拔高度最高的鉤刀咀風(fēng)場(chǎng)整體風(fēng)速高于其他2個(gè)風(fēng)場(chǎng)，且風(fēng)速隨高度的變化趨勢(shì)也明顯不同：10～70 m高度風(fēng)速隨高度逐漸增大。

圖1 不同測(cè)風(fēng)塔各層高度的風(fēng)速垂直變化曲線

3.2風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算及擬合

通過(guò)風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)一步分析上述3個(gè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速隨高度變化趨勢(shì)程度。分別用實(shí)測(cè)風(fēng)速指數(shù)律計(jì)算法和各高度層平均風(fēng)速冪指數(shù)擬合法對(duì)風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。表2為用公式(2)計(jì)算而來(lái)的3座測(cè)風(fēng)塔各高度實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)。挑選的是50 m高度10 min的平均風(fēng)速大于6 m/s時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵?0 m高度風(fēng)速小于6 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)只能產(chǎn)生很不穩(wěn)定的發(fā)電量；并且風(fēng)速大于6 m/s時(shí)刻的數(shù)據(jù)往往對(duì)應(yīng)著大氣中性層結(jié)[6]。表2結(jié)果可以看出：總體來(lái)說(shuō)風(fēng)切變指數(shù)鉤刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈現(xiàn)低層風(fēng)切變指數(shù)高，高層風(fēng)切變指數(shù)低的規(guī)律。因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，近地層中最靠近地面的一層風(fēng)切變最大[7]。但是鉤刀咀70～30 m層結(jié)的切變指數(shù)明顯高于低層10～30 m層結(jié)的風(fēng)切變指數(shù)。分析原因可能是由于風(fēng)流經(jīng)過(guò)山脊、斷崖絕壁等地形時(shí)，某些高度層的風(fēng)速會(huì)加速，將改變風(fēng)廓線的形狀，進(jìn)而影響不同高度的風(fēng)切變指數(shù)[8]。

另外水槎70～50 m間、桃花尖70～50 m間的風(fēng)切變均為負(fù)值，說(shuō)明這些層間出現(xiàn)了負(fù)切變。以桃花尖風(fēng)場(chǎng)為例分析出現(xiàn)負(fù)切變的原因，根據(jù)伯努利效應(yīng)[9]，當(dāng)氣流越過(guò)山脊時(shí)，氣流被壓縮并加速，但這個(gè)加速僅發(fā)生在山脊以上相對(duì)較薄的氣層內(nèi)，故分析桃花尖測(cè)風(fēng)塔這個(gè)位置這個(gè)較薄的空氣層的高度應(yīng)該就在50 m之內(nèi)。50 m高度之后沒(méi)有了加速效應(yīng)，因此出現(xiàn)70 m高度的風(fēng)速反而小的現(xiàn)象。

表2 各測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)

從表2還可以看出，70～10 m間的總切變指數(shù)介于相鄰層計(jì)算出的切變指數(shù)之間，各層間的風(fēng)切變指數(shù)變化幅度和趨勢(shì)各有不同。因此，如果計(jì)算相鄰高度的風(fēng)速時(shí)，則應(yīng)用相鄰高度間計(jì)算得到的風(fēng)切變指數(shù)；如果計(jì)算相差較大的高度間的風(fēng)速時(shí)，則考慮使用總切變指數(shù)。

另外還可以將公式(1)做適當(dāng)變換，令v2/v1為y，z2/z1為x，得到公式

y=mxα

(3)

然后就可以根據(jù)不同高度的平均風(fēng)速擬合求出綜合風(fēng)切變指數(shù)。先分別通過(guò)4個(gè)高度的平均風(fēng)速繪制散點(diǎn)圖，然后用冪指數(shù)進(jìn)行擬合，具體見(jiàn)圖2。得出3個(gè)風(fēng)場(chǎng)相關(guān)方程分別為：

鉤刀咀Y=5.158 1X0.042 9，

水槎Y=2.506 3X0.186 1，

桃花尖Y=2.750 2X0.196 5。

用平均風(fēng)速擬合法得到3個(gè)風(fēng)場(chǎng)的綜合切變指數(shù)分別為：0.042 9、0.186 1、0.196 5。與用實(shí)測(cè)值計(jì)算的風(fēng)切變指數(shù)接近。

圖2 3個(gè)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化的風(fēng)切變指數(shù)擬合曲線

3.3風(fēng)切變指數(shù)的日變化

圖3為高山風(fēng)場(chǎng)3個(gè)測(cè)風(fēng)塔全年風(fēng)切變指數(shù)的日變化圖。從圖3可以看出：全天風(fēng)切變指數(shù)波動(dòng)較頻繁的是桃花尖風(fēng)場(chǎng)，說(shuō)明該處影響風(fēng)切變指數(shù)的因素更為復(fù)雜。鉤刀咀風(fēng)場(chǎng)海拔最高，地面粗糙度對(duì)風(fēng)速的影響較小。使得其在測(cè)風(fēng)塔處表現(xiàn)出梯度風(fēng)變化較小。從總體看，3個(gè)測(cè)風(fēng)塔處的風(fēng)切變指數(shù)的變化均表現(xiàn)出日出前和日落后切變指數(shù)較大。這時(shí)由于從中午到傍晚大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定或中性狀態(tài)，大氣湍流混合租用更加明顯，從而導(dǎo)致上下層間動(dòng)量交換頻繁，風(fēng)速垂直梯度較小，而夜間溫度層結(jié)穩(wěn)定，湍流弱，動(dòng)量不易下傳，表現(xiàn)出上下層的風(fēng)速垂直變率大。

3.4風(fēng)切變指數(shù)的季節(jié)變化

圖4、圖5為3個(gè)高山風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變指數(shù)的月變化和季節(jié)變化情況。全年各月變化波動(dòng)最大的是鉤刀咀風(fēng)場(chǎng)，另2個(gè)風(fēng)場(chǎng)年變化波動(dòng)較相似。鉤刀咀海拔最高，山地地形有利于加劇近地層的大氣湍流交換作用，導(dǎo)致大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，使得該處的風(fēng)切變指數(shù)的波動(dòng)更為頻繁。高強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射趨向于引起更大的大氣不穩(wěn)定性和增強(qiáng)大氣層間的混合，使得在不同的大氣垂直層間的風(fēng)速相對(duì)一致，導(dǎo)致低的風(fēng)切變指數(shù)。在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低或者沒(méi)有太陽(yáng)輻射的時(shí)間，大氣層趨向更穩(wěn)定，因此層間很少或不混合，風(fēng)速趨向于隨離地面高度增加而急劇增加，導(dǎo)致風(fēng)切變指數(shù)增高。因此在不考慮地形和粗糙度的情況下，風(fēng)切變指數(shù)應(yīng)該是夏秋季偏低，冬春季偏高。如圖5所示，鉤刀咀和桃花尖風(fēng)場(chǎng)秋季最小，夏季最大。水槎風(fēng)場(chǎng)冬季最小，春季最大。切變指數(shù)并沒(méi)有表現(xiàn)出夏秋季偏低，冬春季偏高的一般特點(diǎn)。這說(shuō)明在復(fù)雜地形下，地形和地表粗糙度是影響局地風(fēng)切變指數(shù)的主導(dǎo)因素。

圖3 風(fēng)切變指數(shù)日變化

圖4 風(fēng)切變指數(shù)的月變化

圖5 風(fēng)切變指數(shù)的季節(jié)變化

4 小結(jié)

1)本文分別用實(shí)測(cè)風(fēng)速指數(shù)計(jì)算法和平均風(fēng)速冪指數(shù)擬合法計(jì)算了風(fēng)切變指數(shù)，兩者結(jié)果相近。擬合出的70～10 m間的總切變指數(shù)介于相鄰層計(jì)算出的切變指數(shù)之間，各層間的風(fēng)切變指數(shù)變化幅度和趨勢(shì)各有不同。因此，如果計(jì)算相鄰高度的風(fēng)速時(shí)，則應(yīng)用相鄰高度間計(jì)算得到的風(fēng)切變指數(shù)；如果計(jì)算相差較大的高度間的風(fēng)速時(shí)，則考慮使用總切變指數(shù)。

2)風(fēng)切變指數(shù)鉤刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈現(xiàn)低層風(fēng)切變指數(shù)高，高層風(fēng)切變指數(shù)低的規(guī)律。全天風(fēng)切變指數(shù)波動(dòng)較頻繁的是桃花尖風(fēng)場(chǎng)，鉤刀咀風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔處表現(xiàn)出梯度風(fēng)變化較小。3個(gè)測(cè)風(fēng)塔處的風(fēng)切變指數(shù)的變化均表現(xiàn)出日出前和日落后切變指數(shù)較大。年變化波動(dòng)最大的是鉤刀咀風(fēng)場(chǎng)，另2個(gè)風(fēng)場(chǎng)年變化波動(dòng)較相似。鉤刀咀和桃花尖風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變指數(shù)秋季最小，夏季最大。水槎風(fēng)場(chǎng)冬季最小，春季最大。

3)影響風(fēng)切變指數(shù)的因素主要有地形、地表粗糙度、大氣層穩(wěn)定性，其中地形和地表粗糙度是影響局地風(fēng)切變指數(shù)的主導(dǎo)因素。

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TheStudyonWindShearIndexofWindEnergyResourceAssessmentinJiangxiMountainWindField

PENGWANG Minzi,CHEN Shengdong,YAO Lin

(Meteorological Science Institute of Jiangxi Province,330046,Nanchang,PRC)

This paper study on the wind shear index change characteristics of mountain wind field in Jiangxi Province by using the observed data of 70-meter-high wind tower.Features and laws of diurnal,monthly and seasonal variation wind shear index of the three mountain wind field are described and summarized.The analysis show the topography and surface roughness are the main factors affecting the wind shear index in Jiangxi province mountain wind field.The result can provide reliable reference for the design and operation of Jiangxi province high mountain wind electric field.

mountain;assessment of wind energy resource;wind shear;index calculation

2014-07-14;

2014-08-14

彭王敏子(1982-),女，江西南昌人，碩士，工程師，主要從事氣候可行性論證與大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

江西省氣象局青年人才培養(yǎng)項(xiàng)目：“江西山地風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的優(yōu)化研究”(編號(hào):JXQX2014Q02)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.010

TK81

A

1001-3679(2014)05-0613-04