復雜地形風電場測風塔代表性判定方法研究

文 | 王蕊，朱瑞兆

復雜地形的風能形成原因和特征眾多，在復雜地形開發(fā)建設風電場，不容易準確掌握風能資源的情況。如果沒有切實了解清楚風能資源的情況，會導致機型選擇出現(xiàn)偏差，使用等級高的機型提高造價，使用等級低的機型安全性沒有保證，同時區(qū)域內(nèi)的資源情況不摸清摸透，無法合理的布置風電機組，從而導致風電場的收益情況不甚理想。因此復雜地形的風能資源分析是關乎風電場建設的最重要環(huán)節(jié)。而測風塔代表性的判定則是準確分析風能資源的前提條件。

復雜地形的定義

一、平坦地形與復雜地形的劃分

平坦地形的特征，需滿足兩個條件：（1）所選風電場場址周圍的3km－5km范圍內(nèi)，地勢高差均小于60m；（2）在3km－5km范圍內(nèi)最大坡度不超過3%。上述兩個條件比較典型，一般認為滿足如下兩個條件可作為平坦地形：（1）風電場范圍2km內(nèi)沒有大的山丘、山脈或者懸崖之類的地形；（2）沿主導風向和次主導風向上沒有地形、地物障礙。

平坦地形風電場選址，風電機組布置比較簡單，只需考慮地面粗糙度和上下游的障礙物。但測風塔安裝時應該設在最能代表風電場風能資源的位置上。避免周圍有障礙物，特別是在主導風向的下風向與障礙物的水平距離應在障礙物高度的10倍以上的位置安裝，如在防護林、防臺林中安裝測風塔，應比樹林高10m以上。

二、復雜地形的定義

所謂復雜地形，從地貌剖面的高度及起伏幅值來確定。一個場地不超出表1的規(guī)定，則稱為復雜地形。

復雜地形的坡度，如圖1所示，即視點和風電機組基礎點之間直線的坡度，一個地形剖面波浪起伏偏離高度是指垂直方向的高度。

表1 復雜地形的定義標準

圖1 復雜地形標準圖

復雜地形的分類及特征

復雜地形可分為兩類，一類是隆升地形，如山脊、山丘和山崖等；另一類為低凹地形，如山谷、盆地和山隘等。它們對風特性均有不同程度的影響，由于地形復雜，在同一天氣系統(tǒng)下，各種不同地形條件下的風速不同，就是在同一地形下，其不同部分的風速也各異。

一、隆升地形

（一）隆升地形風速變化

隆升地形風速一般隨高度增大，若有坡度就形成加速效應，在山脊近地面表現(xiàn)最明顯，特別是在盛行風向與山脊脊線呈正交時，氣流加速較大，傾斜時加速作用減弱，在山脊峰處達到最大。

隆升地形有不同的形狀，對于加速相應的影響有明顯的區(qū)別。

根據(jù)Taylor和Lee的原始算法，可以計算山頂不同高度處的加速比：

式中： ΔS－風加速比；A、B－經(jīng)驗常數(shù)（表2）；h－山頂高度；L1－山頂?shù)絟/2高度處的水平距離；Z－海拔高度

根據(jù)研究，山頂與平地的風速關系為：

式中： k為山頂與平地風速差值

α＝0.07

（二）隆升地形變化規(guī)律

隆升地形有如下變化規(guī)律：

1 山頂加速比最大，在背風坡風速減小。

2 當氣流經(jīng)過剖面為三角形過圓形的山脊時，三角形的山脊頂部產(chǎn)生的加速最大，圓弧形的山脊次之，鈍性的山頂最小。

3 氣流在山脊的兩肩部或迎風坡半山腰以上，加速明顯，在山脊頂部處氣流加速最大，氣流在山脊的山麓風速明顯減少，低于山前來流的風速。

4 氣流吹向孤立山丘時，在迎風坡上氣流顯著加速，在山頂達到最大，在山丘的背風面，風速降低。

二、低凹地形

（一）低凹地形風速變化

低凹地形是指周圍均是較高的地勢，所以在選址時首先要考慮的是對盛行風向的暴露情況，如低凹地形對盛行風有效的起到狹管效應作用，則會使氣流加速。如盛行風被周圍較高的地形所阻擋，則不宜作風電場。

1 山谷和峽谷。山谷和峽谷的氣流狀態(tài)取決于：（1）山谷與盛行風向是否平行；（2）山谷地面是否向下傾斜；（3）周圍山脊的長寬高；（4）山谷寬狹的不規(guī)則性；（5）山谷表面粗糙度等。

2 山隘或鞍形山脊。山隘的開口應對著盛行風向，其兩側(cè)的較高山，越高越好，隘道的坡度應在17%最理想。

3 河谷。河谷是過高山障礙物的唯一通道，且比山谷和山隘深，所以狹管效應顯著。

4 盆地。四周為高山的洼地，盆地中空氣流動緩慢，影響大氣環(huán)流風速的侵入，風電場不宜選擇盆地。山間盆地的風速可按下式計算：Y＝0.702x＋1.40，式中Y為山間盆地風速，x為平地風速。

（二）隆升地形變化規(guī)律

低凹地形有如下變化規(guī)律：

1 若軸線與盛行風向一致，寬度沿盛行風向縮小的山谷，一方面迅速產(chǎn)生匯流輻合效應，另一方面匯合的氣流又沿地形形成較強的爬升氣流有利于氣流加速。

2 若軸線與盛行風向一致，且沿山地向下延伸較長、有±5°的坡度角的山谷，對氣流有顯著的加速效應。

3 山谷口部分，不但有天氣氣候的風速，而且還疊加了山谷風的風速。

4 山谷中兩側(cè)山壁高度2/3處風速最大。

測風塔代表性的判定方法

表2 不同地形下的A、B參數(shù)

表3 山體迎、背風坡風速比

復雜地形風資源評估最重要的一點就是測風塔是否具有代表性。只有測風塔具備代表性才能真正客觀、準確地評估當?shù)氐娘L能資源情況。

一、測風塔位置的選擇

測風塔位置的選擇是測風塔具備代表性的關鍵。需注意以下幾點：

1 測風塔位置應處于周邊開闊、無遮擋的地方。

2 測風塔位置的海拔應不是最高也不是最低，位于較高海拔處。

3 測風塔位置應位于山脊處。

二、測風塔代表區(qū)域范圍的大小

每個復雜地形的項目，地形的復雜程度都不相同，因此復雜地形測風塔能夠代表多大區(qū)域范圍其實無法量化，只能按照測風塔代表區(qū)域范圍界定的原則和標準進行判斷。測風塔代表區(qū)域范圍界定的原則和標準為：以能夠體現(xiàn)整個風電場的資源情況為宜。

結(jié)合工程實例，總結(jié)出幾種典型地形的情況，如下：

1 風電場中山脊明顯且相對平坦、開闊，測風塔代表范圍：2km －5km。

2 風電場中山脊明顯、狹長，測風塔代表范圍：狹長5km。

3 風電場山脊不明顯、山頂渾圓，測風塔代表范圍：5km2。

三、測風塔設立數(shù)量的選擇

復雜地形風電場測風塔的數(shù)量如果設立過多，能夠相對全面地反映當?shù)氐馁Y源情況，但是投資增大；如果設立過少，則可能無法客觀反映當?shù)氐娘L能資源情況。因此，合理確定測風塔設立的數(shù)量是眾多投資方關心的問題。每個項目地形的復雜程度都不相同，無法量化界定測風塔代表區(qū)域的范圍，也就無法通過范圍來確定測風塔的數(shù)量，總的原則和標準為：以能夠體現(xiàn)整個風電場的資源情況為宜。

結(jié)合工程實例，總結(jié)出幾種典型地形的情況，如下：

1 風電場中有多條山脊，而且每條山脊周邊環(huán)境都不相同，建議盡量在多條山脊中都設立測風塔。

2 風電場中有一條山脊，但山脊多處周邊環(huán)境不同，建議盡量在環(huán)境發(fā)生變化的地方設立測風塔。

3 風電場中有一條山脊，周邊環(huán)境相同，若山脊狹長，建議設立一到兩座測風塔。

實例

一、項目基本情況

某山地風電場中有多條山脊，而且每條山脊周邊環(huán)境均不相同，設立測風塔三座，分別代表周邊區(qū)域的風能資源情況。三座測風塔均位于山脊處，測風塔信息如表4所示，測風塔位置及地形示意圖見圖2、圖3。

二、測風塔實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)測風塔實測數(shù)據(jù)及計算出的空氣密度，可統(tǒng)計出各測風塔風速及風功率密度，見表5、表6。

三、風能資源圖譜模擬

根據(jù)適合復雜地形的發(fā)電量計算軟件WT軟件的模擬，可以得到只設立一座1#測風塔的模擬結(jié)果和設立三座測風塔的模擬結(jié)果，分別如圖4、圖5所示。

表4 測風塔信息

圖2 測風塔位置示意圖

圖3 測風塔位置地形示意圖

四、測風塔代表性分析

根據(jù)圖5風能資源模擬的圖譜可以看出，若本測風塔只設立1#測風塔，則風能資源模擬情況與設立三座測風塔模擬出的圖譜差異較大，測風塔代表區(qū)域不足以覆蓋整個風電場。差異詳見圖6、圖7。

圖6是只設立1#測風塔模擬出的風能資源圖譜，圖7為設立三座測風塔模擬出的風能資源圖譜，對比兩圖，圖中A、B、C、D、E區(qū)域模擬情況差異較大，足以證明若只設立1#測風塔，則測風塔數(shù)量偏少，代表區(qū)域范圍有限，容易引起風能資源評估不準確、風電機組點位布置不合理，從一定程度上損失發(fā)電量，降低投資方收益。設立三座測風塔位置、數(shù)量及代表區(qū)域范圍均較合理，能夠相對準確評估本風電場風能資源情況，為風電機組布點和發(fā)電量計算提供較準確依據(jù)。

表5 測風塔實測數(shù)據(jù)風速統(tǒng)計（單位：m/s）

表6 測風塔實測數(shù)據(jù)風功率密度統(tǒng)計（單位：W/m2）

圖4 風能資源模擬圖（1#測風塔）

圖5 風能資源模擬圖（三座測風塔）

圖6 風能資源模擬差異對比圖（1#測風塔）

圖7 風能資源模擬差異對比圖（三座測風塔）

結(jié)論

復雜地形風能資源的評估的準確性影響到風電場選址、測風塔選址和測風數(shù)據(jù)的處理，如要準確評估區(qū)域內(nèi)的風資源，需首先對風電場內(nèi)測風塔的代表性進行判定，測風塔代表性的判定需要根據(jù)測風塔設立的位置、數(shù)量及代表區(qū)域范圍進行綜合判定，對具備代表性的測風塔數(shù)據(jù)進行分析，才能夠相對準確地評估本風電場風能資源情況，為風電機組布點和發(fā)電量計算提供較準確依據(jù)，只有這樣才能切實提高開發(fā)商預期達到的收益。