受臺(tái)風(fēng)影響的內(nèi)陸山區(qū)風(fēng)能資源利用分析

文 | 李何平

受臺(tái)風(fēng)影響的內(nèi)陸山區(qū)風(fēng)能資源利用分析

文 | 李何平

我國(guó)擁有較長(zhǎng)的海岸線，且沿海地區(qū)風(fēng)能資源儲(chǔ)量可觀。隨著風(fēng)能利用開發(fā)的不斷深入和發(fā)展，我國(guó)沿海地區(qū)風(fēng)電開發(fā)區(qū)域已經(jīng)逐漸向內(nèi)陸延伸，其中廣東、廣西、福建及浙江等省份的沿海內(nèi)陸山區(qū)已建有大量的風(fēng)電項(xiàng)目。

需要注意的是，當(dāng)臺(tái)風(fēng)從大海向陸地移動(dòng)時(shí)，能量需要一定的時(shí)間才可以逐步消失。因此，沿海各省區(qū)的內(nèi)陸山區(qū)仍會(huì)受到臺(tái)風(fēng)的影響，而風(fēng)電場(chǎng)位于臺(tái)風(fēng)路徑上時(shí)，其受到的影響將更大。根據(jù)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的不同，內(nèi)陸地區(qū)受影響的程度各異，臺(tái)風(fēng)影響最遠(yuǎn)的地區(qū)可能距離海岸線能達(dá)到300km左右。

本文以位于廣東、廣西及浙江3座內(nèi)陸山區(qū)的測(cè)風(fēng)塔為典型對(duì)象進(jìn)行分析，對(duì)這些受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的風(fēng)能資源開發(fā)作相應(yīng)探討，3座測(cè)風(fēng)塔分別位于廣東省茂名市、廣西省賀州市和浙江省金華市，依次記為1#、2#和3#測(cè)風(fēng)塔；測(cè)風(fēng)高度分別為40m、70m和80m，海拔高程分別為850m、970m和950m，距離岸線距離分別為80km、250km和100km。1#塔數(shù)據(jù)采集時(shí)段為2009年1月1日至2009年12月31日，2#塔數(shù)據(jù)采集時(shí)段為2015年1月1日至2016年8月9日，3#塔數(shù)據(jù)采集時(shí)段為2012年8月26日至2013年8月12日。

臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段的判別

根據(jù)宋麗莉等人的研究，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)的代表性判別的基本指標(biāo)是同時(shí)滿足8級(jí)以上風(fēng)速的風(fēng)向連續(xù)轉(zhuǎn)換120°以上方位角度。若風(fēng)速達(dá)到了8級(jí)以上，風(fēng)速的風(fēng)向連續(xù)轉(zhuǎn)換120°以上，則可以認(rèn)為該段時(shí)間為臺(tái)風(fēng)經(jīng)過。另根據(jù)相關(guān)資料，臺(tái)風(fēng)過后風(fēng)速會(huì)有一定程度的突降。參照以上研究結(jié)論，對(duì)廣東（1#）、廣西（2#）及浙江（3#）三座測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：1#測(cè)風(fēng)塔在2009年9月14日至2009年9月16日期間受到了臺(tái)風(fēng)的影響；2#測(cè)風(fēng)塔在2016年8月1日至2016年8月3日期間受到了臺(tái)風(fēng)的影響；3#測(cè)風(fēng)塔在2013年7月12日至2013年7月14日期間受到了臺(tái)風(fēng)的影響。臺(tái)風(fēng)時(shí)段風(fēng)速及風(fēng)向的變化情況參

見圖1。

同時(shí)經(jīng)過查詢歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)可知，廣東省在2009年9月13日至2009年9月16日期間受到了臺(tái)風(fēng)“巨爵”的影響，廣西省在2016年8月1日至2016年8月3日期間受到了臺(tái)風(fēng)“妮妲”的影響，浙江省在2013年7月12日至2013年7月14日期間受到了臺(tái)風(fēng)“蘇力”外圍的影響。

本文擬以上述關(guān)于臺(tái)風(fēng)影響的風(fēng)況判斷指標(biāo)，擇取相關(guān)時(shí)段，并進(jìn)行相關(guān)分析。

內(nèi)陸臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的風(fēng)能資源特點(diǎn)分析

一、平均風(fēng)速

由于受到地表摩擦衰減的影響，具備較高風(fēng)速水平的海洋氣流在進(jìn)入內(nèi)陸地區(qū)后，風(fēng)能資源水平會(huì)較大程度的降低，加之沿海內(nèi)陸多為山區(qū)地形，影響風(fēng)速的地形因素加重，使得一些地區(qū)的風(fēng)能資源更為復(fù)雜。因此，這些沿海省份內(nèi)陸山區(qū)的風(fēng)能資源情況往往并不是很好，大部分地區(qū)的平均風(fēng)速僅在5.5m/s－6.5m/s左右。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，得到1#測(cè)風(fēng)塔40m高度全時(shí)段的風(fēng)速為6.4m/s，2#測(cè)風(fēng)塔70m高度全時(shí)段的風(fēng)速為6.6m/s，3#測(cè)風(fēng)塔80m高度全時(shí)段的風(fēng)速為6.1m/s。將臺(tái)風(fēng)期間數(shù)據(jù)從整個(gè)統(tǒng)計(jì)周期中刪除之后，上述平均風(fēng)速無任何變化，臺(tái)風(fēng)只會(huì)影響到臺(tái)風(fēng)月份的月平均風(fēng)速，而對(duì)全年的平均風(fēng)速幾乎沒有影響。此類區(qū)域風(fēng)能資源的優(yōu)劣與臺(tái)風(fēng)的影響無關(guān)。

二、50年一遇最大風(fēng)速

采用GUMBEL分布分別計(jì)算兩座測(cè)風(fēng)塔50年一遇最大風(fēng)速，得到1#測(cè)風(fēng)塔40m高度50年一遇最大風(fēng)速為45m/s，2#測(cè)風(fēng)塔70m高度50年一遇最大風(fēng)速為40m/s ，3#測(cè)風(fēng)塔80m高度50年一遇最大風(fēng)速為31m/s。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)可知，1#測(cè)風(fēng)塔處50年一遇最大風(fēng)速屬于IEC I類，2#測(cè)風(fēng)塔處為IEC II類，3#測(cè)風(fēng)塔處為IEC III類。

目前大部分風(fēng)電項(xiàng)目的五十年一遇最大風(fēng)速(Vref)與平均風(fēng)速(Vave)呈近似5倍的比率關(guān)系，這一點(diǎn)在第三版的IEC標(biāo)準(zhǔn)中（IEC 61400-2 ed3）敘述為：“In the standard wind turbine classes, Vave shall be chosen as：Vave=0.2 Vref”。但針對(duì)上述三座測(cè)風(fēng)塔而言，1#測(cè)風(fēng)塔最大風(fēng)速與平均風(fēng)速的比率為7.03，2#測(cè)風(fēng)塔為6.06，3#測(cè)風(fēng)塔為5.08。除3#測(cè)風(fēng)塔外，其余兩座測(cè)風(fēng)塔均大大超出了IEC規(guī)范中的5倍值，這也是受臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)的一個(gè)特點(diǎn)。因此，針對(duì)受臺(tái)風(fēng)影響的內(nèi)陸山區(qū)，盡管可能距離海岸線已經(jīng)非常遠(yuǎn)，但仍需仔細(xì)復(fù)核50年一遇最大風(fēng)速值。

三、湍流強(qiáng)度

針對(duì)三座測(cè)風(fēng)塔在臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段和全時(shí)段的湍流強(qiáng)度進(jìn)

行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，圖中綠色線為全時(shí)段的湍流強(qiáng)度，黃色線為臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段的湍流強(qiáng)度。從圖2可以看出，針對(duì)所有時(shí)間段的湍流強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，三座測(cè)風(fēng)塔的湍流強(qiáng)度均在IEC A類以下；而針對(duì)臺(tái)風(fēng)時(shí)段的湍流強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，三座測(cè)風(fēng)塔的湍流強(qiáng)度顯著增大，均高于在所有時(shí)段下的統(tǒng)計(jì)值。

在對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全性進(jìn)行校核時(shí)，若只采用全時(shí)間段的湍流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)得出偏樂觀的結(jié)論。臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組受力可能會(huì)嚴(yán)重超過其設(shè)計(jì)荷載，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算時(shí)，也應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)影響期間的湍流強(qiáng)度。

四、風(fēng)切變指數(shù)

對(duì)三座測(cè)風(fēng)塔在臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段的風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，參見圖3。

從風(fēng)向與風(fēng)切變指數(shù)的關(guān)系可以看出，當(dāng)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向發(fā)生大幅變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)會(huì)突然上升，如圖中圓圈所示。這種風(fēng)切變指數(shù)的突然增大，同時(shí)伴隨著風(fēng)向的突然改變，將使得風(fēng)電機(jī)組受力情況突然改變，必然對(duì)機(jī)組的載荷產(chǎn)生較大的影響。

五、氣壓及空氣密度

從臺(tái)風(fēng)的特性可知，臺(tái)風(fēng)中心的氣壓比它四周的氣壓要低。圖4為1#、2#、3#測(cè)風(fēng)塔記錄的臺(tái)風(fēng)期間平均風(fēng)速與氣壓的變化關(guān)系圖（上為氣壓、下為風(fēng)速），從數(shù)據(jù)上可以看出，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最大值時(shí)氣壓降到最低。

表1 1#、2#、3#測(cè)風(fēng)塔在全年及臺(tái)風(fēng)期間空氣密度對(duì)比值

隨著氣壓的降低，測(cè)風(fēng)塔處的空氣密度將會(huì)有所降低。三座測(cè)風(fēng)塔處在臺(tái)風(fēng)期間、臺(tái)風(fēng)所處月份及全年的空氣密度，如表1所示。從表1中可以看出，臺(tái)風(fēng)當(dāng)月及臺(tái)風(fēng)時(shí)段的空氣密度均要低于全年的空氣密度。因此在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的50年一遇最大風(fēng)速時(shí)，若采用全年的空氣密度，計(jì)算結(jié)果將偏大。

內(nèi)陸受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域技術(shù)措施建議

從上述分析可以看出，在內(nèi)陸受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域，盡管風(fēng)能資源水平可能較為一般，平均風(fēng)速并不是很高，但50年一遇最大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)等指標(biāo)卻顯示出這些區(qū)域受臺(tái)風(fēng)的影響仍然很大，因此在對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估、微觀選址及風(fēng)電機(jī)組選型的時(shí)候，需要引起特別的重視。以下就針對(duì)這些區(qū)域的風(fēng)能資源相關(guān)問題作相關(guān)探討。

一、前期測(cè)風(fēng)

針對(duì)內(nèi)陸受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的項(xiàng)目，如廣東、廣西、福建、浙江、江蘇及江西、安徽、湖南南部等地區(qū)，從項(xiàng)目最前期豎立測(cè)風(fēng)塔階段就應(yīng)引起高度重視。

區(qū)別于普通山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的是，此類地區(qū)項(xiàng)目的資源監(jiān)測(cè)還應(yīng)考慮測(cè)風(fēng)裝置在臺(tái)風(fēng)過境時(shí)期的可靠性，以便搜集到完整的臺(tái)風(fēng)時(shí)期的數(shù)據(jù)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的安全等級(jí)。與傳統(tǒng)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域不同的是，內(nèi)陸受臺(tái)風(fēng)影響山區(qū)可能存在凝凍的現(xiàn)象，因此在這類場(chǎng)區(qū)還需要選用抗凝凍的測(cè)風(fēng)設(shè)備。

目前風(fēng)速風(fēng)向儀總體上可分為機(jī)械式和聲波式，聲波式測(cè)風(fēng)儀不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問題，同時(shí)也可測(cè)得任意方向上的風(fēng)速分量。為了保障測(cè)風(fēng)安全可靠，建議在輪轂高度安裝兩套以上的測(cè)量設(shè)備，超聲波測(cè)風(fēng)裝置和機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀各一套，以減小設(shè)備損壞而未記錄到臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能更為精確的測(cè)量湍流強(qiáng)度、入流角等風(fēng)能資源參數(shù)。

二、中期資源評(píng)估

（一）原始數(shù)據(jù)處理及臺(tái)風(fēng)識(shí)別

在取得一定時(shí)段的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)并對(duì)項(xiàng)目的資源進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)篩查，由于受到惡劣臺(tái)風(fēng)天氣的影響，測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)問題，應(yīng)對(duì)可疑時(shí)段的逐10分鐘風(fēng)速風(fēng)向最小值、最大值及方差進(jìn)行仔細(xì)甄別，以得到有效的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。在篩選得到有效的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)后，可采用本文前節(jié)中提到的關(guān)于臺(tái)風(fēng)時(shí)段的識(shí)別辦法，初步判斷本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)受臺(tái)風(fēng)的影響程度。

（二）風(fēng)電機(jī)組選型

在風(fēng)電項(xiàng)目的前期階段，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)選型主要集中于平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度及50年一遇最大風(fēng)速等指標(biāo)。由于內(nèi)陸受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的平均風(fēng)速不是很高，因此風(fēng)電機(jī)組選型的焦點(diǎn)就集中在湍流強(qiáng)度和50年一遇最大風(fēng)速上。

臺(tái)風(fēng)區(qū)域50年一遇最大風(fēng)速的評(píng)估一直是一個(gè)難題，建議采用多種方法對(duì)該參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在受臺(tái)風(fēng)影響的區(qū)域，應(yīng)盡可能多收集周邊氣象站記錄到的臺(tái)風(fēng)信息，根據(jù)氣象站多年臺(tái)風(fēng)資料計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速，并根據(jù)相關(guān)關(guān)系推算至風(fēng)電場(chǎng)；同時(shí)應(yīng)盡可能的增加測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)時(shí)間，利用較長(zhǎng)的測(cè)風(fēng)時(shí)間序列建立Gumbel模型，以計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速，并與氣象站計(jì)算所得結(jié)論進(jìn)行對(duì)比。最終建議取相對(duì)保守值來進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)機(jī)位50年一遇最大風(fēng)速的推算。同時(shí)也可搜集臨近已經(jīng)建成項(xiàng)目的相關(guān)信息，以降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)臺(tái)風(fēng)區(qū)域風(fēng)電項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，極風(fēng)其實(shí)并不是使風(fēng)電機(jī)組損壞的主因，而臺(tái)風(fēng)期間的高湍流強(qiáng)度才是引起風(fēng)電機(jī)組損壞的致命因素。風(fēng)電機(jī)組廠家在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組載荷的計(jì)算時(shí)，除了考慮全年平均的湍流強(qiáng)度外，也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注臺(tái)風(fēng)時(shí)期的湍流強(qiáng)度，以便選擇更為可靠的風(fēng)電機(jī)組或針對(duì)某些部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)沿海平坦風(fēng)電項(xiàng)目不同的是，內(nèi)陸山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的湍流強(qiáng)度還會(huì)很大程度上受到地形的影響。根據(jù)IEC 61400-2 ed3可知，在復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行載荷分析時(shí)，全風(fēng)速段的湍流強(qiáng)度還應(yīng)乘以1.15倍的放大系數(shù)。

（三）風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的計(jì)算

復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電項(xiàng)目的資源評(píng)估和發(fā)電量的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的課題，目前常用的適用于復(fù)雜地形的軟件有Meteodyn WT、Windsim等，但沒有任何一個(gè)模型能夠得到十分準(zhǔn)確的結(jié)論。因此，對(duì)于此類地區(qū)的發(fā)電量計(jì)算，建議采用多種軟件進(jìn)行模擬，同時(shí)通過多個(gè)測(cè)風(fēng)塔互相推算的方式來驗(yàn)證模型的可靠性。

在項(xiàng)目的前期評(píng)估階段，針對(duì)受臺(tái)風(fēng)影響的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算時(shí)應(yīng)相對(duì)保守。盡管臺(tái)風(fēng)到來之前和臺(tái)風(fēng)過后的風(fēng)速可以用來發(fā)電，但這些時(shí)段的湍流強(qiáng)度大，風(fēng)向多變，風(fēng)切變也較大，使風(fēng)電機(jī)組的安全存在很大的隱患，因此這些時(shí)段是否可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電更多，取決于風(fēng)電機(jī)組的控制策略以及風(fēng)電場(chǎng)的管理水平。在前期資源評(píng)估中計(jì)算發(fā)電量時(shí)，建

議將整個(gè)臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段的發(fā)電量按零來考慮，以降低項(xiàng)目評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)。

三、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)

臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究還無法滿足風(fēng)電項(xiàng)目的要求，還沒有任何軟件能夠?qū)ε_(tái)風(fēng)的過程進(jìn)行模擬分析。對(duì)于已建成的風(fēng)電場(chǎng)而言，唯有加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，通過管理和技術(shù)的手段來預(yù)防臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

臺(tái)風(fēng)期間往往伴隨很多極端的氣候現(xiàn)象，如暴雨、洪水等，受其影響電網(wǎng)往往首先斷電，進(jìn)而使風(fēng)電機(jī)組斷電失去抗風(fēng)險(xiǎn)能力。因此，在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置備用柴油發(fā)電機(jī)，以便在電網(wǎng)斷電時(shí)風(fēng)電機(jī)組能夠主動(dòng)偏航，正面迎風(fēng)順槳。

風(fēng)電場(chǎng)也應(yīng)同氣象部門通力合作，跟蹤臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑，提前做好防范策略，最大限度地減少臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的破壞；同時(shí)也應(yīng)與風(fēng)電機(jī)組廠家緊密配合，在風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，充分利用臺(tái)風(fēng)過境前后的有利時(shí)段，提高發(fā)電效益。

結(jié)語

本文以廣東、廣西及浙江三座測(cè)風(fēng)塔為參考，分析了臺(tái)風(fēng)期間的相關(guān)風(fēng)參數(shù)后得出：沿海內(nèi)陸山區(qū)風(fēng)能資源受臺(tái)風(fēng)影響，可能存在著“平均風(fēng)速不大，但在特定時(shí)段上最大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)等風(fēng)況指標(biāo)奇高”的特點(diǎn)，部分項(xiàng)目盡管已經(jīng)遠(yuǎn)離海岸線200km以上，但所受臺(tái)風(fēng)影響仍然不容忽視。

對(duì)于此類風(fēng)電項(xiàng)目，可以看作沿海臺(tái)風(fēng)項(xiàng)目與山區(qū)復(fù)雜地形項(xiàng)目的結(jié)合。兩者的結(jié)合增大了風(fēng)能資源評(píng)估的難度，尤其是針對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全性評(píng)估的難度。除對(duì)整個(gè)測(cè)風(fēng)時(shí)段進(jìn)行分析外，還應(yīng)單獨(dú)評(píng)估臺(tái)風(fēng)影響時(shí)段的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

（作者單位：中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)任公司）