狹管地形內(nèi)部風(fēng)資源分布特性研究

劉 銳，熊 恒，葛文濤

(1.中國(guó)電建集團(tuán)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511457；2. 湖南三一智慧新能源設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

風(fēng)電場(chǎng)從地形上可劃分為平坦地形風(fēng)電場(chǎng)和復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)[1]。對(duì)于平坦地形風(fēng)電場(chǎng)，由于場(chǎng)內(nèi)地形變化很小，自由流風(fēng)速在水平方向上分布較為均勻。對(duì)于山地、丘陵復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)，由于場(chǎng)內(nèi)地形起伏較大，自由流風(fēng)速在水平方向分布隨地形發(fā)生較大的變化，在山的頂部和兩側(cè)，風(fēng)速加強(qiáng)；在山的背風(fēng)面，風(fēng)速會(huì)急劇減弱[2]。但這兩種地形有一個(gè)普遍規(guī)律：一般海拔越高的地方，風(fēng)速越大。而在現(xiàn)實(shí)風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)中，存在一類地形，在一定空間尺度上，地表看似起伏較小甚至平坦，但在較大空間尺度上處于狹管地形中，風(fēng)速分布與以上兩種地形有所差別。

關(guān)于狹管地形風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源評(píng)估，國(guó)內(nèi)學(xué)者也有做過(guò)相關(guān)的研究：任臘春等[3]分析了高原峽谷風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速相關(guān)性、風(fēng)速切變、湍流強(qiáng)度、風(fēng)能資源分布等主要風(fēng)況特性；沈晶等[4]采用FLUENT平臺(tái)模擬分析了主導(dǎo)風(fēng)向、地形坡度及地面粗糙度變化時(shí)峽谷風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的分布情形；洪新民等[5]研究了峽谷風(fēng)剖面沿峽谷長(zhǎng)度和寬度方向的變化特征及峽谷外形對(duì)峽谷風(fēng)特征參數(shù)的影響。但均未對(duì)狹管地形沿管道徑向上的風(fēng)資源分布特性進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本文通過(guò)對(duì)某狹管地形不同位置處的測(cè)風(fēng)塔同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到狹管地形管道徑向上的風(fēng)資源分布規(guī)律，并通過(guò)測(cè)風(fēng)塔互推，對(duì)不同軟件模擬狹管地形風(fēng)資源的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而找到適合評(píng)估狹管地形風(fēng)資源的方法和手段，為狹管地形風(fēng)電場(chǎng)前期測(cè)風(fēng)和微觀選址工作提供指導(dǎo)。

1 狹管地形的風(fēng)流特性

1.1 風(fēng)電場(chǎng)情況介紹

某風(fēng)電場(chǎng)位于埃及紅海蘇伊士灣西岸的灘涂地帶，海拔隨著離岸距離的增加而逐漸上升，根據(jù)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，此處盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅逼?，與蘇伊士灣走向一致；蘇伊士灣兩岸受山體夾擊，屬于典型的狹管地形。在狹管地形管道徑向上，分別立有1、2號(hào)兩座測(cè)風(fēng)塔，1號(hào)測(cè)風(fēng)塔靠近岸邊，離岸距離約6 km，海拔61 m，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔靠近內(nèi)陸，離岸距離約20 km，海拔282 m，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)地形情況及測(cè)風(fēng)塔位置

1.2 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分析

目前收集到1、2號(hào)測(cè)風(fēng)塔2016年3月～11月80 m高度的風(fēng)速、風(fēng)向信息，有效數(shù)據(jù)完整率均在98%以上，有利于測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的分析比較。兩測(cè)風(fēng)塔80 m高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2～4所示。

圖2 80 m高度月平均風(fēng)速

從月平均風(fēng)速來(lái)看(見(jiàn)圖2)，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔80 m高度月平均風(fēng)速均低于1號(hào)測(cè)風(fēng)塔，平均低出2.37 m/s，即狹管地形的風(fēng)速分布異于其他地形：越靠近山體，海拔越高，風(fēng)速越低。

從風(fēng)向頻率來(lái)看(見(jiàn)圖3)，1號(hào)測(cè)風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼焙臀鞅保?號(hào)測(cè)風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向僅為西北偏北，即2號(hào)測(cè)風(fēng)塔處由于更靠近山體，其在西北扇區(qū)受山體的影響比1號(hào)測(cè)風(fēng)塔更大，從而使其風(fēng)向向遠(yuǎn)離山體的角度發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)。

圖3 風(fēng)向頻率(80 m高度風(fēng)向)

從扇區(qū)風(fēng)速來(lái)看(見(jiàn)圖4)，在主導(dǎo)風(fēng)向上，1號(hào)測(cè)風(fēng)塔80 m高度平均風(fēng)速明顯高于2號(hào)測(cè)風(fēng)塔，在東北偏東-東扇區(qū)上，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔80 m高度平均風(fēng)速略高于1號(hào)測(cè)風(fēng)塔，即進(jìn)一步說(shuō)明狹管地形吹狹管風(fēng)時(shí)，風(fēng)速在管道徑向上的分布異于其他地形，而在吹非狹管風(fēng)時(shí)，風(fēng)速在管道徑向上的分布與常規(guī)地形一致。

圖4 80 m高度各扇區(qū)平均風(fēng)速

1.3 狹管地形內(nèi)部風(fēng)速分布與理論分析

通過(guò)以上對(duì)比分析，可得到峽管風(fēng)的風(fēng)速分布特點(diǎn)：越靠近谷底(海拔越低)風(fēng)速越大，越靠近山坡(海拔越高)風(fēng)速越小。這與流體力學(xué)管道流動(dòng)理論相符，即由于流體(空氣)的黏滯性，流體(空氣)在流管(狹管)中的流速(水平風(fēng)速)沿管道直徑呈現(xiàn)出梯度分布的特點(diǎn)：管中心流速最大，向著管道壁(山體)的方向遞減，直至管壁處的流速為0[6]。管道中斷面流速分布如圖5所示。

圖5 管道中斷面流速分布

2 不同風(fēng)資源仿真軟件對(duì)狹管地形的模擬分析

2.1 WAsP與WT原理介紹

目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)，風(fēng)資源模擬軟件根據(jù)計(jì)算模型的不同，分為線性和非線性兩類。線性模型以WAsP為代表，非線性模型以基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的WT為代表[7]。

WAsP是由丹麥Risφ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來(lái)的風(fēng)資源計(jì)算軟件，該軟件以特定的線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)輸入氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、地表粗糙度和障礙物等數(shù)字化信息，可以模擬風(fēng)場(chǎng)范圍內(nèi)的風(fēng)資源狀況。線性模型假設(shè)風(fēng)是附著地表流動(dòng)的，因此適合地形相對(duì)簡(jiǎn)單、地勢(shì)平坦的地區(qū)，但對(duì)于復(fù)雜的地形，由于受許多邊界條件的限制，并不適用[7]。

WT是由法國(guó)美迪公司開發(fā)出來(lái)的基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的非線性風(fēng)資源評(píng)估軟件。CFD模型的基本思路為：把原來(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的合集來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組并求解，獲得場(chǎng)變量的近似值。理論上，CFD模型可以應(yīng)對(duì)近地層風(fēng)流的非線性效應(yīng)，在復(fù)雜地形和障礙物或森林存在的情況下更具優(yōu)勢(shì)[7- 8]。

狹管地形作為較為特殊的一類地形，對(duì)其分別采用線性WAsP軟件和非線性WT軟件進(jìn)行風(fēng)資源模擬，探究針對(duì)此類地形的風(fēng)資源模擬方法。

2.2 WAsP計(jì)算結(jié)果分析

采用WAsP風(fēng)資源評(píng)估軟件，進(jìn)行建模計(jì)算和測(cè)風(fēng)塔互推，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速為9.36 m/s，推導(dǎo)風(fēng)速為11.87 m/s，風(fēng)速差異為26.82%；1號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速為11.81 m/s，推導(dǎo)風(fēng)速為9.27 m/s，風(fēng)速差異為-21.51%?？梢钥闯觯?/p>

(1)采用1號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)2號(hào)測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速(低海拔推高海拔)，WAsP軟件會(huì)把2號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速推高25%以上，推導(dǎo)出的2號(hào)測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速高于1號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)平均風(fēng)速。

(2)采用2號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)1號(hào)測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速(高海拔推低海拔)，WAsP軟件會(huì)把1號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速推低20%以上，推導(dǎo)出的1號(hào)測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速低于2號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)平均風(fēng)速。

(3)WAsP軟件對(duì)狹管地形的風(fēng)速模擬與實(shí)際風(fēng)速分布相悖。

采用WAsP軟件對(duì)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向進(jìn)行互推，結(jié)果如表1所示。從表1可知，WAsP推導(dǎo)的風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向差異較大，與輸入的風(fēng)向基本一致，即WAsP無(wú)法對(duì)風(fēng)向進(jìn)行較好的模擬。

表1 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向?qū)崪y(cè)值與WAsP互推值

2.3 WT計(jì)算結(jié)果分析

采用WT風(fēng)資源仿真軟件，進(jìn)行建模計(jì)算和測(cè)風(fēng)塔互推，結(jié)果如表2所示。可以看出：

表2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速實(shí)測(cè)值與WT互推值

(1)采用1號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)2號(hào)測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速(低海拔推高海拔)，WT軟件會(huì)把2號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速推高近20%，但推導(dǎo)出的2號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速與2號(hào)實(shí)測(cè)風(fēng)速一樣低于1號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速。

(2)采用2號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)1號(hào)測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速(高海拔推低海拔)，WT軟件會(huì)把1號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速推低近15%，但推導(dǎo)出的1號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速與1號(hào)實(shí)測(cè)風(fēng)速一樣高于2號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速。

(3)WT軟件對(duì)狹管地形的風(fēng)速模擬趨勢(shì)與實(shí)際一致，但仍存在較大誤差。

采用WT軟件對(duì)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向進(jìn)行互推，結(jié)果如表3所示。從表3可知，WT推導(dǎo)的風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向差異較大，與輸入的風(fēng)向基本一致，即WT也無(wú)法對(duì)風(fēng)向進(jìn)行較好的模擬。

表3 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向?qū)崪y(cè)值與WT互推值

2.4 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)采用兩種不同的風(fēng)資源仿真軟件進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔互推的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以得到：

(1)基于線性的WAsP軟件無(wú)法模擬出峽管地形的風(fēng)流特性，且?guī)?lái)較大風(fēng)速誤差。

(2)基于CFD的非線性WT軟件能夠模擬出峽管地形的風(fēng)流特性，但誤差較大，低海拔(山谷)推高海拔(山坡)風(fēng)速會(huì)被推高約20%，高海拔(山坡)推低海拔(山谷)風(fēng)速會(huì)被推低約15%。

(3)兩種軟件均無(wú)法對(duì)峽管地形的風(fēng)向進(jìn)行很好的模擬。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)埃及紅海蘇伊士灣西岸狹管地形內(nèi)的兩測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模擬，得到如下結(jié)論：

(1)狹管地形內(nèi)部在管道徑向上的風(fēng)速分布呈現(xiàn)出與其他地形迥異的特點(diǎn)，一般海拔越低(越靠近谷底)，風(fēng)速越大，海拔越高(越靠近山體)風(fēng)速越低。

(2)狹管地形內(nèi)部主風(fēng)向會(huì)在管道徑向上發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。

(3)對(duì)狹管地形的風(fēng)資源模擬，基于線性的WAsP軟件模擬結(jié)果與實(shí)際相悖，基于CFD的非線性WT軟件模擬結(jié)果在趨勢(shì)上與實(shí)際一致，但誤差較大，兩者對(duì)風(fēng)向均不能進(jìn)行較好的模擬。

(4)對(duì)于狹管地形風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源評(píng)估，建議在沿管道徑向上至少立兩座測(cè)風(fēng)塔，以控制項(xiàng)目的最大和最小風(fēng)速。

(5)對(duì)于狹管地形的微觀選址，海拔越高的地方并非風(fēng)速越好，風(fēng)電機(jī)組在考慮尾流影響的前提下應(yīng)盡可能往峽谷中心線處布置。