GIS、CFD軟件在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

王文中，陳海峰，王 旭，杜尚尚，許田琦

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

近年來(lái)，由于技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電飛速發(fā)展，平坦地形風(fēng)資源已逐漸開發(fā)完全，風(fēng)電正向著復(fù)雜地形方向開發(fā)。根據(jù)《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》，中國(guó)今后將繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電的規(guī)模化開發(fā)。按照第四次全國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)，得到我國(guó)陸上(不包括青藏高原海拔高度超過3 500 m以上的區(qū)域)可供風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為20～34億kW[1]。目前，在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估中，丹麥RISO國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于線性模型開發(fā)的WAs P軟件，適用于地形平坦的風(fēng)場(chǎng)，以及近幾年發(fā)展起來(lái)的法國(guó) Meteodyn 公司開發(fā)的風(fēng)流自動(dòng)測(cè)算軟件WT，其采用計(jì)算流體力學(xué)方法，能反映出復(fù)雜地形下風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)情況，適合復(fù)雜地形下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估，具有更好的發(fā)展前景[2]，但這類軟件一般費(fèi)用昂貴。

目前，對(duì)地形上流場(chǎng)的研究分析大都是在中高尺度氣象方面的研究，主要集中在農(nóng)業(yè)、氣象等方面,應(yīng)用在具體小尺度風(fēng)電場(chǎng)方面的研究不是很多。在國(guó)外，SOM, MUN DA[3]利用CFD(計(jì)算流體力學(xué))模型和GIS(地理信息系統(tǒng))研究了城市再開發(fā)和建筑施工對(duì)位于建筑密集區(qū)的國(guó)立釜慶大學(xué)校園周邊細(xì)流場(chǎng)的影響，從16個(gè)來(lái)流方向進(jìn)行了模擬分析。Christoph Schulz[4]對(duì)西班牙北部一處復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)在極端風(fēng)況條件下的風(fēng)力渦輪機(jī)功率、負(fù)荷和尾流發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值分析，僅僅是個(gè)別風(fēng)機(jī)、局部區(qū)域的模擬分析。國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[5]基于CFD開發(fā)了一種風(fēng)電短期預(yù)測(cè)方法，文章主要集中于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)如何聚類、模型如何建立對(duì)風(fēng)功率短期預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，缺乏風(fēng)電場(chǎng)地形高程數(shù)據(jù)的獲取和地形模擬等方面的知識(shí)。祝志文[6]對(duì)橋址峽谷地貌進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性的CFD模擬分析，但技術(shù)路線不夠詳細(xì)。劉敏[7]利用地理信息系統(tǒng)(GIS)理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段,為風(fēng)電場(chǎng)選址、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、風(fēng)功率預(yù)測(cè)提供技術(shù)支持，只是提出這類設(shè)想，缺乏具體實(shí)踐。李磊[8]對(duì)比了RAMS與FLUENT的模擬結(jié)果，表明FLUENT完全可以用于小尺度復(fù)雜地形上風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)模擬，但缺乏地形獲取及模擬過程。

本文以陜北某風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)地形進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行模擬分析，得到流場(chǎng)云圖，探討復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)速的影響，得到通過GIS、CFD軟件在研究復(fù)雜地形下風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)情況的的思路，降低風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)開發(fā)的成本。其中，選用的湍流模型為 FLUENT 里面的k-ε模型。

1 研究對(duì)象

該風(fēng)電場(chǎng)位于中國(guó)陜北，經(jīng)度在東經(jīng)108°29′30″～108°36′55″之間，緯度在北緯37°21′40″～37°25′43″之間，屬于大陸性溫帶季風(fēng)氣候，場(chǎng)區(qū)南北寬約6 km，東西長(zhǎng)約9 km。場(chǎng)址區(qū)海拔高度在1 500～1 750 km之間，為黃土高原北部的黃土丘陵地帶。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)額定發(fā)電功率為2 MW，輪轂中心高度為80 m。

2 研究方法及過程

風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域較大、地形復(fù)雜，很難利用一般的軟件對(duì)這種復(fù)雜的丘陵地形曲面進(jìn)行模擬，需要采用一系列專業(yè)的地形提取與繪制軟件才能得到風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域地形的三維曲面。首先根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域范圍在水經(jīng)注萬(wàn)能地圖下載器中截取下載范圍，選擇合適精度下載數(shù)字高程地形坐標(biāo)點(diǎn)，然后在Global Mapper里面進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果導(dǎo)入到IMAGEWARE里面擬合三維曲面并建立流體域，將流體域?qū)氲絀CEM劃分網(wǎng)格，最后運(yùn)用FLUENT對(duì)流體域進(jìn)行流場(chǎng)分析。

3 地形下載及三維建模

3.1 軟件簡(jiǎn)介

水經(jīng)注萬(wàn)能地圖下載器是國(guó)內(nèi)一款地形下載軟件，依托Google earth，最高精度能達(dá)到分米級(jí)別，遠(yuǎn)高于WT軟件自帶的SRTM90 m精度地圖，具有更精確的地形模擬，支持下載各種衛(wèi)星地圖、歷史影像、電子地圖、地形圖、高程等地圖數(shù)據(jù)，與Auto CAD、Arc GIS、Global Mapper等軟件兼容。Global Mapper是一款免費(fèi)的地圖繪制軟件，能夠生成等高線、矢量數(shù)據(jù)，可以對(duì)地形坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，支持北京54、西安80、大地2000等格式。由于地形復(fù)雜且建模范圍比較大，傳統(tǒng)的正向建模工程任務(wù)量巨大，IMAGEWARE[9]作為一款逆向造型軟件，功能強(qiáng)大，滿足要求。

3.2 地形下載

在水經(jīng)注萬(wàn)能地圖下載器中下載長(zhǎng)11 km、寬7 km的三維經(jīng)緯度高程坐標(biāo)，由于區(qū)域較大，高精度的高程坐標(biāo)占據(jù)空間很大，增加后續(xù)模擬分析對(duì)設(shè)備的要求，而且本研究主要目的是分析空氣的宏觀流動(dòng)，對(duì)精度的要求也不是很高。因此本次地形下載選擇13級(jí)精度，分辨率38 m。圖1為風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的地形圖。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)地形圖

下載的高程地形為三維經(jīng)緯度坐標(biāo)，首先要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將三維經(jīng)緯度坐標(biāo)導(dǎo)入到Global Mapper里面轉(zhuǎn)換為北京54空間三維坐標(biāo)，縱向(緯度)4 136 845～4 144 135 m之間，橫向(經(jīng)度)在36 543 548～36 554 487 m之間。圖2為風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域高程離散點(diǎn)。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)離散點(diǎn)圖

3.3 地形三維建模

將空間三維坐標(biāo)導(dǎo)入到IMAGEWARE里面，可以采用調(diào)整控制點(diǎn)的方法對(duì)地形進(jìn)行擬合，本文采用200×150控制點(diǎn)擬合。由于實(shí)際地形不規(guī)則，沒有適合不規(guī)則地形的建模方法，因此分塊逐步對(duì)模擬地形進(jìn)行調(diào)整，圖3為擬合地形與高程地形點(diǎn)云的彩色矢量圖，由圖3可知，本次模擬地形在豎直高度上誤差范圍在±20 m之間。

圖3 地形彩色矢量圖

隨著海拔高度的增加，地形對(duì)氣流的影響越來(lái)越小。本研究在海拔高度2 600 m處建立流體域上表面，對(duì)模擬地形建立流場(chǎng)域，地面離頂面高度在850～1 100 m之間，圖4為模擬地形及流體域壁面。

圖4 流場(chǎng)域圖

4 流場(chǎng)分析

4.1 軟件介紹

流場(chǎng)分析是在ANSYS15.0上完成的。ICEM[10]是FLUENT的前處理軟件，具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，能應(yīng)對(duì)求解域內(nèi)的各種復(fù)雜幾何形狀。FLUENT[11]軟件經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，具有更強(qiáng)大的CFD計(jì)算功能，主要用于傳熱、傳質(zhì)等流場(chǎng)分析，主要采用有限體積法(Finite Volume Method,FVM)，可以用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格體系的數(shù)值求解。

4.2 流場(chǎng)分析

將建立的流場(chǎng)域?qū)隝CEM里劃分網(wǎng)格，最大尺寸設(shè)置80 m，劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格1 700 000個(gè)，如圖5所示。

圖5 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖

將網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT里面進(jìn)行流場(chǎng)分析，采用k-ε模型，進(jìn)口速度設(shè)置為3 m/s，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所在地理位置全年主導(dǎo)風(fēng)向西風(fēng)，進(jìn)口風(fēng)向選取270(西風(fēng))。計(jì)算完畢后，隨機(jī)在流體域內(nèi)截取y=4 140 000 m處的XZ截面，得出速度云圖，如圖6所示。

圖6 y 4 140 000截面速度云圖

由圖6可知，在山脊位置上風(fēng)速有明顯的加強(qiáng)效果，這是由于迎風(fēng)坡的加速效應(yīng)造成的；根據(jù)風(fēng)機(jī)輪轂高度截取距離地面高80 m處的風(fēng)速矢量圖7，圖7右側(cè)為框選位置的放大圖，分析發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過高度落差較大的位置時(shí)，氣流流向有明顯的改變，這是由于山體的阻擋造成的，但總體風(fēng)向變化不大，在240～300之間，紊流較少，說明風(fēng)電場(chǎng)所處位置地形對(duì)風(fēng)向影響較小，較適合建風(fēng)電場(chǎng)。

圖7 地面高度80 m速度矢量圖

5 結(jié) 語(yǔ)

在風(fēng)電場(chǎng)選址中，本文采用一些常用軟件，基于GIS技術(shù)和CFD方法，得到相關(guān)計(jì)算參數(shù)的一般調(diào)整方法以及過程，能在中小尺度上對(duì)風(fēng)電場(chǎng)地形進(jìn)行精確建模，為具體風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)提供技術(shù)支持；經(jīng)過模擬分析，達(dá)到了預(yù)期效果，為更復(fù)雜地形的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供預(yù)可研。同時(shí)，研究技術(shù)路線在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、驗(yàn)收方面具有應(yīng)用價(jià)值，能減少風(fēng)電場(chǎng)前期風(fēng)能評(píng)估、后期風(fēng)能預(yù)測(cè)的建設(shè)成本，特別是隨著風(fēng)電裝機(jī)占比的增加，為減小不穩(wěn)定能源對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的沖擊，超短期預(yù)測(cè)的研究越來(lái)越受重視，本研究可以為超短期預(yù)測(cè)中測(cè)風(fēng)塔布置提供精確的分析。在未來(lái)研究中，也將盡量選取有多測(cè)風(fēng)塔的案例研究項(xiàng)目，可以通過多測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)以及相關(guān)因素的分析，再進(jìn)行確認(rèn)與驗(yàn)證。

致謝：本文風(fēng)電場(chǎng)資料以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是由華電陜西能源有限公司提供的，在此表示感謝。