考慮風(fēng)向因素的微觀選址方法研究

文 | 李長亮

目前關(guān)于風(fēng)電場設(shè)計(jì)，在宏觀選址并測風(fēng)之后，就進(jìn)入了微觀選址階段。當(dāng)擬建風(fēng)電場得到測風(fēng)數(shù)據(jù)后，業(yè)主一般委托設(shè)計(jì)院評估當(dāng)?shù)仫L(fēng)能情況以及風(fēng)電場建設(shè)可行性。當(dāng)風(fēng)電場建設(shè)預(yù)言可行之后，業(yè)主會通過風(fēng)電機(jī)組廠家進(jìn)行機(jī)型選型和安全性復(fù)核，若是方案不存在問題，微觀選址過程就算完成了。微觀選址前期工作一般由設(shè)計(jì)院完成，后期帶方案的機(jī)型選型、安全性復(fù)核以及機(jī)位調(diào)整需求等由風(fēng)電機(jī)組廠家提出。無論是微觀選址前期還是后期，對風(fēng)資源的準(zhǔn)確評估嚴(yán)重影響著后續(xù)風(fēng)電場的設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明：如果選址不當(dāng)，兩臺相鄰 200m 的風(fēng)電機(jī)組，其輸出功率可能相差 25%以上。這也是風(fēng)電行業(yè)特別重視微觀選址的原因。

我國風(fēng)電近些年進(jìn)入了低速風(fēng)電發(fā)展時代?，F(xiàn)在更是有越來越多的風(fēng)電場建設(shè)到了地形復(fù)雜的山地地帶。選擇復(fù)雜地形，考慮的是利用地形變化產(chǎn)生的地面效應(yīng)，如風(fēng)速較大的山頂、山口等位置。山地地形在為氣流加速的同時，也形成了很多復(fù)雜的現(xiàn)象，比如湍流更大，比如某些扇區(qū)風(fēng)切變極其不規(guī)律等，這些都影響著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。因此，山地地形需要考慮更多的因素，以保證風(fēng)電場的安全運(yùn)行。在現(xiàn)在的風(fēng)資源評估中，成熟的設(shè)計(jì)都是考慮了入流角作為安全復(fù)核的一個因素，但是對于風(fēng)電機(jī)組不同高度的風(fēng)向扭轉(zhuǎn)因素卻沒有考慮，這個因素是現(xiàn)在設(shè)計(jì)忽略卻非常重要的因素，本文提出安全復(fù)核應(yīng)該考慮這個因素，并通過一個實(shí)例進(jìn)行了說明。

考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的微觀選址方法

現(xiàn)在風(fēng)電場的微觀選址部分，在選定風(fēng)電機(jī)組機(jī)位后的選型和安全復(fù)核中，一般工作內(nèi)容有：風(fēng)資源處理、氣候極端條件查詢、50年一遇極大風(fēng)速計(jì)算、數(shù)據(jù)長期訂正、發(fā)電量計(jì)算、湍流計(jì)算、尾流計(jì)算、入流角判斷、風(fēng)電機(jī)組疲勞以及極限載荷復(fù)核等。在風(fēng)電機(jī)組疲勞以及極限載荷復(fù)核中，考慮的有平均風(fēng)切變、AK值、入流角、湍流、平均風(fēng)速、50年一遇極大風(fēng)速、密度等信息。從當(dāng)前實(shí)際投標(biāo)來看，幾乎各個廠家的考慮因素是一致的，這可能是使用相同的設(shè)計(jì)軟件或者設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致的。當(dāng)然各個廠家的結(jié)果也會存在不同，比如對于湍流的計(jì)算，使用不同的軟件得到的結(jié)果就不同。當(dāng)然，也有的廠家走在科技的前沿，對一些問題進(jìn)行深入研究，但是受限于各種因素，不可能在所有的投標(biāo)項(xiàng)目中完全展現(xiàn)出來。以前風(fēng)電建設(shè)都是選擇優(yōu)質(zhì)機(jī)位進(jìn)行布機(jī)，而現(xiàn)在由于資源緊張，很多時候是能布機(jī)就布機(jī)，再加上山區(qū)地形復(fù)雜，如果考慮不周全，則會留下安全隱患。

在一些對氣流的解釋中，很多是把問題簡化為二維，然后去分析。而二維結(jié)果有可能會疏漏一些信息，有時這些信息又是非常重要的。比如獨(dú)立的山丘模型。若是直接簡化為二維去分析，得到的結(jié)果就是山頂風(fēng)速最大。當(dāng)然根據(jù)坡度不同，山丘前后會有不同的現(xiàn)象，這里不做過多討論。但是如果按照三維去分析，就會得到更多的信息。當(dāng)氣流通過丘陵或山地時，由于受到地形阻礙的影響，在山的向風(fēng)面下部，風(fēng)速減弱，且有上升氣流；在山的頂部和兩側(cè)，風(fēng)速加強(qiáng)。這比二維分析多出了山兩側(cè)的風(fēng)速信息。在實(shí)際中，很少是獨(dú)立山丘這么簡單的地形，對于復(fù)雜山地，局部地形對風(fēng)流的加速、對風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)是造成風(fēng)電場微觀選址的難題所在。這些問題在當(dāng)初只有WAsP等一維計(jì)算模型的時候，是無法準(zhǔn)確解決的，只能結(jié)合分析結(jié)果，加上經(jīng)驗(yàn)分析以及理論分析。而現(xiàn)在發(fā)展的全三維的CFD模擬計(jì)算，則更加有效地解決這些問題。整個行業(yè)對于復(fù)雜問題的理解也是越來越深入。

本文通過大量的項(xiàng)目以及現(xiàn)在市場招投標(biāo)過程，總結(jié)了現(xiàn)在微觀選址風(fēng)電機(jī)組廠家復(fù)核階段主要流程和考慮因素，如圖1所示。

在現(xiàn)階段的計(jì)算和研究中，普遍沒有考慮風(fēng)電機(jī)組不同高度上水平風(fēng)向角度的偏差問題。氣流實(shí)際上是三維的，相對于風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)平面，氣流會有兩個偏差角，一個是入流角，這個角度是氣流與風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)平面的垂直風(fēng)向的角度，這在現(xiàn)在工程中已經(jīng)加入考慮，但也只是限于在計(jì)算的輪轂高度上的數(shù)值；另一個是水平方向的偏差，如圖2所示。簡化的動量定理理論分析，來流的總能量實(shí)際上是垂直于葉片平面的速度分量產(chǎn)生的能量。若是角度有偏差，實(shí)際上，相當(dāng)于降低了來流的總能量，那么風(fēng)電機(jī)組吸收的能量也隨之降低。不僅如此，上下氣流的不均勻也會給風(fēng)電機(jī)組載荷帶來安全運(yùn)行隱患。

在平原等簡單地形，由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在離地幾十米以上高空，理論上不太會出現(xiàn)這種隨高度不同風(fēng)向扭轉(zhuǎn)劇烈的情況。但是現(xiàn)在的山地地形卻有出現(xiàn)這種情況的隱患。因此，本文認(rèn)為，在微觀選址中應(yīng)該對這一方面加強(qiáng)考慮。

圖1 微觀選址過程

圖2 WT計(jì)算示意圖

圖3 風(fēng)向玫瑰圖

圖4 風(fēng)向能量圖

項(xiàng)目實(shí)例

國內(nèi)某風(fēng)電場在2012年立塔測風(fēng)，經(jīng)過為期一年的實(shí)測，發(fā)現(xiàn)此風(fēng)電場風(fēng)質(zhì)較優(yōu)。其平均風(fēng)速在6.01m/s左右，并且湍流較低。對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其風(fēng)向頻率和風(fēng)向能量如圖3、圖4所示。

風(fēng)資源評估采用成熟商用軟件Meteodyn WT 5.3。采用軟件默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度選擇90m，機(jī)型選擇SE13125（風(fēng)輪直徑131m，額定功率2500kW）。布機(jī)分為相對獨(dú)立的兩部分，西邊機(jī)位有7臺機(jī)位，東邊部分有12臺機(jī)位。排布如下圖5所示。

經(jīng)過計(jì)算，得到本風(fēng)電場的AK值、平均風(fēng)速、發(fā)電量、尾流、密度、入流角等主要信息。表1為機(jī)位主要信息匯總表。

分析得到發(fā)電量在可接受范圍之內(nèi)，結(jié)合湍流的計(jì)算結(jié)果，再經(jīng)過逐個機(jī)位安全性復(fù)核認(rèn)為，這些機(jī)位都可以正常使用。

圖5 WT計(jì)算示意圖

表1 機(jī)位主要信息匯總簡表

然而加入不同高度氣流扭轉(zhuǎn)角度的因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，以西邊機(jī)位為例，通過計(jì)算各個高度上的風(fēng)向信息（圖6）。這里的扭角經(jīng)過了換算，指的是本高度的水平風(fēng)向角度和90m高度的水平風(fēng)向角度的偏差?？梢钥闯觯瑢τ诖蟛糠謾C(jī)位，在10m高度以上，扭角就變得非常小，可以忽略不計(jì)。但是A16機(jī)位離地25m高度扭角仍然有7.8度；A18機(jī)位在離地28m仍然有9.4度。對于本型號風(fēng)電機(jī)組，葉輪運(yùn)行于離地24.5m以上高空。因此，從風(fēng)資源分析，這兩個機(jī)位運(yùn)行環(huán)境比其他機(jī)位要差很多。因此需要更加細(xì)致的單機(jī)安全復(fù)核。按照個人經(jīng)驗(yàn)評估，在空間充足的情況下，要優(yōu)先調(diào)整這兩個機(jī)位，或者優(yōu)先舍棄這兩個機(jī)位。這個結(jié)論是使用以往方法所得不到的。

圖6 不同高度水平風(fēng)向角度圖

結(jié)論

隨著風(fēng)電場地形越來越復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮越來越多的因素。在工程經(jīng)驗(yàn)積累和計(jì)算方法發(fā)展情況下，行業(yè)對于風(fēng)電場設(shè)計(jì)的認(rèn)識也越來越深入，有一些新的發(fā)現(xiàn)也會增加到風(fēng)電場設(shè)計(jì)的考慮因素之中。本文提出在微觀選址中應(yīng)該考慮將不同高度氣流的水平扭轉(zhuǎn)因素添加到風(fēng)電場設(shè)計(jì)微觀選址中，并通過一個實(shí)例，得到了更好的微觀選址結(jié)論。

攝影：羅澤強(qiáng)