淺析風(fēng)電場(chǎng)微觀選址中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

劉曉群　李嶸　　曹偉　張騰飛　趙策

摘 要：隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)增加了電能的供應(yīng)，極大地緩解了電力供需的矛盾，且風(fēng)力資源屬于可再生資源，無(wú)污染，因此在近年來(lái)受到各個(gè)國(guó)家的重視。風(fēng)電場(chǎng)微觀選址則是在宏觀選址中選定的小區(qū)域中，考慮由風(fēng)場(chǎng)環(huán)境引發(fā)的自然風(fēng)的變化及由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身所引發(fā)的風(fēng)擾動(dòng)（即尾流）因素，確定如何排列布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)年發(fā)電量最大。該文從地形和地貌、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流、排布效率以及載荷風(fēng)況等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)微觀選址的影響做了簡(jiǎn)單的剖析。

關(guān)鍵字：微觀選址 地表粗糙度 障礙物遮擋效應(yīng) 排布效率 載荷風(fēng)況

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0063-01

風(fēng)電場(chǎng)選址分為宏觀選址和微觀選址，宏觀選址遵循的原則是根據(jù)風(fēng)能資源調(diào)查與分區(qū)的結(jié)果，選址最有利的場(chǎng)址，以求增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出，提高供電的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性；微觀選址則是在宏觀選址中選定的小區(qū)域中，考慮由風(fēng)場(chǎng)環(huán)境引發(fā)的自然風(fēng)的變化及由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身所引發(fā)的風(fēng)擾動(dòng)（即尾流）因素，確定如何排列布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)年發(fā)電量最大，從而降低能源的生產(chǎn)成本以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。該文從幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的角度出發(fā)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址做了初步的探討。

1 地形和地貌的影響

地形和地貌對(duì)風(fēng)的影響主要來(lái)自于三個(gè)方面：粗糙度、地形和障礙物。下面分別對(duì)此予以闡述。

1.1 地表粗糙度

地表粗糙度由地表粗糙元的尺寸和分布決定。地表粗糙長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)速的影響是巨大的，粗糙元的改變對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的影響也不容忽視，如周圍樹(shù)林在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行期間逐漸長(zhǎng)高，這就需要在微觀選址時(shí)予以充分考慮。

1.2 地形加速效應(yīng)

地形對(duì)近地層風(fēng)的影響是非常大的，是風(fēng)資源工程研究的重點(diǎn)之一。當(dāng)達(dá)到一定高度后，地表形態(tài)對(duì)風(fēng)的影響將消失，平均風(fēng)速趨于相等。由于地形加速效應(yīng)，在山地風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選址幾乎都是在山脊之上。

1.3 障礙物遮擋效應(yīng)

障礙物遮擋效應(yīng)分為風(fēng)速降低效應(yīng)和湍流增加效應(yīng)。

遮擋效應(yīng)可以定義為：由地貌中障礙物引起的風(fēng)速的相對(duì)降低。一個(gè)障礙物是否對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生遮擋效應(yīng)取決于：關(guān)注點(diǎn)與障礙物的距離；障礙物的高度；關(guān)注點(diǎn)的高度；障礙物的長(zhǎng)度；障礙物的孔隙率。

一般認(rèn)為當(dāng)關(guān)注點(diǎn)與障礙物的距離超過(guò)障礙物高度的50倍，關(guān)注點(diǎn)的高度超過(guò)障礙物高度3倍時(shí)，障礙物的遮擋效應(yīng)消失或可忽略不計(jì)。障礙物的形式十分多樣，和其他地理元素的界限也并不十分清晰。障礙物的思想在微觀選址時(shí)可以靈活運(yùn)用：可能有遮擋效應(yīng)時(shí)，按照障礙物考慮；若無(wú)遮擋效應(yīng)，則按照粗糙元或地形考慮。

障礙物不僅能顯著地降低風(fēng)速，還會(huì)在附近產(chǎn)生大量的湍流。障礙物產(chǎn)生的湍流區(qū)可以達(dá)到障礙物高度的三倍，且下風(fēng)向的湍流更加劇烈。因此在微觀選址時(shí)，要特別注意避開(kāi)障礙物，尤其是障礙物在主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向時(shí)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流的影響

經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的氣流相對(duì)于風(fēng)輪前的氣流來(lái)說(shuō)，速度減小，湍流度增強(qiáng)，該部分氣體所在的區(qū)域即稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流區(qū)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流區(qū)可以劃分為近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)兩個(gè)區(qū)域。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流效應(yīng)的發(fā)展是在整個(gè)風(fēng)場(chǎng)范圍內(nèi)的，風(fēng)場(chǎng)中相鄰兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尾流相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生效果的疊加，處于尾流疊加區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力得不到保證，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流效應(yīng)的存在將大大減少下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力，所以風(fēng)場(chǎng)布置時(shí)要盡量減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流效應(yīng)對(duì)其下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。

3 排布效率

排布效率是用來(lái)表征與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排布直接相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量效率，是折減了尾流造成的發(fā)電量損失后的效率。排布效率有時(shí)也習(xí)慣被稱為風(fēng)場(chǎng)效率。盡量減少尾流損失，從而提高排布效率，是風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量?jī)?yōu)化的的重點(diǎn)工作之一。

應(yīng)該注意的是，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排布效率可能是不同的，而這里關(guān)注的是風(fēng)場(chǎng)整體的排布效率。通常，風(fēng)場(chǎng)的排布效率應(yīng)該不低于93%，而單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排布效率應(yīng)該不低于88%。但有時(shí)為節(jié)約土地，在有限的空間內(nèi)提高風(fēng)場(chǎng)的裝機(jī)容量，就要在排布效率上做出讓步了。

影響排布效率的因素主要有：平均風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向；平均湍流強(qiáng)度及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的抗湍流能力；風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的走向、地形和粗糙度特征；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量或裝機(jī)容量；土地使用的法律和環(huán)境限制。

4 載荷風(fēng)況

載荷風(fēng)況也是微觀選址要考慮的重要內(nèi)容，地形復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)尤為突出。載荷風(fēng)況不直接反映在發(fā)電量上，但是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷卻起到?jīng)Q定性作用。降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷可以降低維修成本，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的服役期達(dá)到20年的設(shè)計(jì)壽命，同時(shí)減少由于維修停機(jī)造成的發(fā)電量損失。影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷的風(fēng)況主要有：

4.1 湍流強(qiáng)度TI

湍流強(qiáng)度用來(lái)表征風(fēng)速波動(dòng)的劇烈程度。顯然，風(fēng)速波動(dòng)越大，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)越大，造成的載荷也越大。實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷隨著湍流強(qiáng)度增加而指數(shù)增長(zhǎng)。IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了不同等級(jí)的湍流強(qiáng)度工況，因此湍流強(qiáng)度還是風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型的依據(jù)之一。復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)中，測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度通常低估了多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭遇的湍流強(qiáng)度。此外，測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度是沒(méi)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)尾流影響的背景湍流。

入流角：入流風(fēng)向與水平面的夾角稱為入流角。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理想入流角為0°，即風(fēng)水平吹。入流角主要由地形坡度決定，通常坡度越大，入流角越大。和湍流強(qiáng)度一樣，入流角也會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵受力部件的載荷。另外，入流角的存在還可能降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。平均風(fēng)流的入流角不應(yīng)該超過(guò)8°。

4.2 風(fēng)剪切

風(fēng)剪切是指水平風(fēng)速隨高度的變化。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪面頂部的風(fēng)速高于底部，槳葉每次旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都因此前后彎折，造成了材料的疲勞損傷。在復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)速的垂直切變變得復(fù)雜，引起額外的脫離流，進(jìn)而增加湍流強(qiáng)度。在完成微觀選址時(shí)，要避開(kāi)風(fēng)剪切指數(shù)大的位置。

4.3 極端風(fēng)況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷分為疲勞載荷和極端載荷兩種工況。極端載荷發(fā)生概率很低，但是一旦發(fā)生則破壞性極強(qiáng)，因此應(yīng)該予以足夠的重視。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，用來(lái)為一臺(tái)或更多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組確定位置的微觀選址，為了使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組排布最佳，風(fēng)電場(chǎng)的全部電力輸出最大，在其選址過(guò)程中，需要綜合考慮到地形和地貌、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流、排布效率以及載荷風(fēng)況等多種要素的影響。

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