復(fù)雜地形對低風(fēng)速風(fēng)電場的影響

董 云 博 劉 輝 高 飛 李 德

（1 河北鯤能電力工程咨詢有限公司 河北石家莊 050000 2 石家莊市分布式能源設(shè)計工程技術(shù)研究中心 河北石家莊 050000）

引言

根據(jù)低風(fēng)速電場風(fēng)能資源的特點，研發(fā)出在低風(fēng)速電場適用的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)具有很大的市場。根據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型導(dǎo)則》 對低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)定義——低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組，適用于標(biāo)準(zhǔn)空氣密度輪轂高度處代表年平均風(fēng)速不高于6.5m/s、風(fēng)功率密度不高于320W/m2風(fēng)能資源條件下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1]。復(fù)雜地形多指海拔起伏較大的山地。受地形影響，風(fēng)向多不集中，風(fēng)速、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度等風(fēng)能資源要素多變化較大，會對低風(fēng)速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生巨大影響。

1 復(fù)雜地形影響風(fēng)速及風(fēng)向

風(fēng)速的變化主要受地形和海拔高度的影響。在復(fù)雜山地中，風(fēng)速的變化有的是地形起主導(dǎo)作用，有的是海拔高度起主導(dǎo)作用，有的是兩者同時主導(dǎo)變化。所以，在復(fù)雜山地中，單一測風(fēng)塔的代表性一般不足，利用軟件推斷風(fēng)機(jī)位處風(fēng)能資源時誤差會變大。

例如，廣西某山區(qū)擬開發(fā)一座風(fēng)力發(fā)電場，場內(nèi)有兩座測風(fēng)塔，編號分別為#1、#2，兩塔相對位置如下圖1 所示，

圖1 測風(fēng)塔相對位置示意圖

其中，#1 塔海拔高度為977 米，年均風(fēng)速為4.03m/s；#2 塔海拔高度為859 米，年均風(fēng)速為6.13m/s。該地區(qū)主風(fēng)向為N-NNE扇區(qū)，次主風(fēng)向為S 扇區(qū)。

兩座測風(fēng)塔相距不足7km，但是風(fēng)速相差較大。同時，海拔高度較高的#1 測風(fēng)塔年均風(fēng)速反而遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于#2 測風(fēng)塔。所以，該地區(qū)風(fēng)速受地形影響比較嚴(yán)重。主要原因是#1 測風(fēng)塔主風(fēng)向上有高海拔突起山體，而#2 測風(fēng)塔主風(fēng)向以及次主風(fēng)向上均沒有高海拔山體對其遮擋。所以，在復(fù)雜山區(qū)，風(fēng)速受地形影響比較嚴(yán)重。

風(fēng)向主要受地形影響，海拔高度基本不對其產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于地形的多變，多會造成風(fēng)向分布散亂?？赡軙?dǎo)致低風(fēng)速風(fēng)機(jī)在發(fā)電量預(yù)估上產(chǎn)生比較大的誤差。所以，受地形影響的風(fēng)速以及風(fēng)向會導(dǎo)致低風(fēng)速風(fēng)場發(fā)電量預(yù)估誤差不可控。進(jìn)而導(dǎo)致低風(fēng)速電場財務(wù)評價以及收益率計算的偏差[2]。

針對風(fēng)速和風(fēng)向受地形影響的情況，應(yīng)在風(fēng)場范圍內(nèi)適當(dāng)多樹立測風(fēng)塔。障礙物、山體突起、代表性以及地形的走勢等方面都是測風(fēng)塔選點應(yīng)該注意的重要因素。收集到更多場內(nèi)實測風(fēng)數(shù)據(jù)，通過多塔綜合計算、交叉對比、相互校驗等手段，使得低風(fēng)速電場前期發(fā)電量預(yù)估誤差盡可能小。進(jìn)而得到更客觀的財務(wù)評價和收益率，可有效預(yù)估項目是否可行，以達(dá)到規(guī)避風(fēng)險的目的。

在獲得實測風(fēng)數(shù)據(jù)后，如何在現(xiàn)有測風(fēng)塔和地形圖的基礎(chǔ)上，更準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電場風(fēng)能資源和進(jìn)行風(fēng)場建模成為關(guān)鍵問題。據(jù)此，我們從以下三個方面出發(fā)：

第一，細(xì)致處理測風(fēng)數(shù)據(jù)，合理檢驗，選取具有代性的完整年數(shù)據(jù)；測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)整理完善、準(zhǔn)確，具有長期代表性，以此保證測風(fēng)數(shù)據(jù)輸入條件的可靠性。

第二，大比例尺地形圖實地測量，以此保證地形圖的準(zhǔn)確性和實時性；采用大范圍地形圖，充分考慮地形以及周邊風(fēng)電場之間的影響，充分模擬出場址區(qū)域在整個區(qū)域之內(nèi)的風(fēng)資源分布情況。將風(fēng)場其它風(fēng)場機(jī)位加入模型中；粗糙度分等級細(xì)化賦值同時與實際地物相結(jié)合等，充分模擬地表植被對風(fēng)場內(nèi)機(jī)位局部微觀的風(fēng)速的影響，保證風(fēng)場建模的真實性和準(zhǔn)確性。

第三，在此基礎(chǔ)上，同時選用合適的數(shù)值模擬方法，多管齊下，最終保證對整個風(fēng)場的風(fēng)資源模擬準(zhǔn)確。

2 復(fù)雜地形影響風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度、入流角

風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度以及入流角等因素是機(jī)組選型的重要依據(jù)。

風(fēng)切變是風(fēng)機(jī)輪轂高度選擇的重要依據(jù)之一。風(fēng)切變受大氣穩(wěn)定性影響，在復(fù)雜山區(qū)，地形變化大，氣流變化復(fù)雜，風(fēng)切變也變化多端。同時風(fēng)切變可能因為地形的原因（坡面、狹管、溝壑等）導(dǎo)致風(fēng)的加速或者減速，甚至產(chǎn)生負(fù)切變。在利用風(fēng)切變推導(dǎo)輪轂高度處風(fēng)速時，可能會由于風(fēng)的加速或者減速效應(yīng)，從而導(dǎo)致誤差，選錯機(jī)型。

針對復(fù)雜地形的風(fēng)切變計算，可收集多測風(fēng)塔的實測風(fēng)能資源數(shù)據(jù)分析風(fēng)切變與地形之間的相關(guān)性，建立擬開發(fā)區(qū)域地貌與風(fēng)切變模型，并利用流體力學(xué)相關(guān)公式進(jìn)行風(fēng)切變的綜合擬合修正。湍流強(qiáng)度與入流角都對低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的安全性有重要影響。一個風(fēng)電場的運行生命周期是20 年，在不同風(fēng)況下都能保證風(fēng)機(jī)的安全性是前期設(shè)計和風(fēng)機(jī)廠家的重要責(zé)任之一，風(fēng)機(jī)選型就成為重中之重。湍流強(qiáng)度和入流角都可以影響風(fēng)機(jī)的安全性。其中，湍流強(qiáng)度通過測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)計算得出。湍流強(qiáng)度由風(fēng)速偏差與平均風(fēng)速相除計算獲得，風(fēng)速偏差與平均風(fēng)速均由測風(fēng)塔測量獲得。所以根據(jù)上文“復(fù)雜地形影響風(fēng)速及風(fēng)向”中的相關(guān)論述，可有效避免湍流強(qiáng)度誤差帶來的風(fēng)險。但應(yīng)該注意的是，在復(fù)雜山區(qū)，應(yīng)對風(fēng)機(jī)位進(jìn)行逐臺湍流強(qiáng)度分析，并針對復(fù)雜山區(qū)的地形進(jìn)行綜合考慮擬合分析。避免湍流強(qiáng)度給風(fēng)機(jī)帶來安全隱患，進(jìn)而影響風(fēng)電場的發(fā)電量。

入流角完全因為地形產(chǎn)生。以下措施可以較為有效的避免入流角帶來的風(fēng)機(jī)安全隱患：

（1）對風(fēng)電場進(jìn)行逐臺入流角分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行風(fēng)機(jī)位的優(yōu)化設(shè)計；

（2）微觀選址階段做好室內(nèi)風(fēng)機(jī)位優(yōu)化的前提下，做好現(xiàn)場的踏勘，并針對現(xiàn)場踏勘中存疑的風(fēng)機(jī)位進(jìn)一步優(yōu)化。

3 復(fù)雜地形影響造價及施工難度

在復(fù)雜低風(fēng)速區(qū)域，除風(fēng)能資源帶來的困難外，其他建場難度也很大。比如在道路方面，在復(fù)雜山區(qū)，風(fēng)電場進(jìn)場道路以及場內(nèi)道路等都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)比平坦地區(qū)的造價高，難度大；在集電線路方面，對比平坦地區(qū)，復(fù)雜山區(qū)的風(fēng)場造價高1.5-2.0 倍左右?？梢姡芏喾矫娑紩谠靸r方面帶來困擾。

基于復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場造價高的難題，盡可能準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)電量并提高發(fā)電量就變得尤為重要。準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)電量，可以準(zhǔn)確計算項目收益率，做出更為客觀的財務(wù)評價。同時，在合理范圍內(nèi)，盡可能提高發(fā)電量，比如，選用更適合的輪轂高度，選用更適合的機(jī)型，盡可能優(yōu)化風(fēng)機(jī)位等。

結(jié)語

（1）在復(fù)雜地形的低風(fēng)速發(fā)電場，風(fēng)速和風(fēng)向會受地形的很大影響，在合適的位置，樹立適當(dāng)數(shù)目的測風(fēng)塔，可以更為精確的評估擬開發(fā)低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)能資源。

（2）準(zhǔn)確評估擬開發(fā)區(qū)域的風(fēng)能資源的前提下，仔細(xì)分析風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度以及入流角等因素，選用更合適的輪轂高度以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。確保盡可能提高發(fā)電量的同時，確保風(fēng)電場的安全性。

（3）選用更適合擬開發(fā)區(qū)域的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)，并優(yōu)化風(fēng)機(jī)位、道路以及集電線路等因素，有效控制風(fēng)電場造價，是低風(fēng)速風(fēng)電場建場的前提和根本。

（4）做好風(fēng)電場前期評估和分析，使擬開發(fā)風(fēng)電場財務(wù)評價和收益率計算更客觀，有效避免風(fēng)電場建設(shè)以及后期運行風(fēng)險。