基于現(xiàn)場測量的建筑環(huán)境風場特征分析及風力機出力評估

收稿日期：2022-08-01

基金項目：內蒙古自治區(qū)自然科學基金（2019LH05024）

通信作者：侯亞麗（1982—），女，博士、副教授，主要從事風能應用及風力機微觀選址方面的研究。houyali1234@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1162 文章編號：0254-0096（2023）11-0318-07

摘 要：采用ZephIR 300激光雷達測風設備對呼和浩特市區(qū)某建筑風場進行為期12個月的現(xiàn)場測量，獲取11～200 m內共11個高度上的風速、風向及湍流強度值，然后對風場的湍流特性進行分析，并計算6種風力機的年容量系數(shù)。結果表明：所有高度上0～3 m/s低風速的出現(xiàn)頻率明顯增大，出現(xiàn)頻率最高的風速在2.0～2.5 m/s，而大于10 m/s風速的出現(xiàn)概率幾乎為零，而且傳統(tǒng)威布爾概率密度分布不能準確對城市建筑環(huán)境內的低風速分布概率做出預測；0°～90°區(qū)間內的風向出現(xiàn)頻率較高，但風功率密度卻相對較低，不能僅以盛行風向為依據(jù)選擇風力機的安裝地點，而需同時考慮不同風向上的風功率密度；為避開強湍流區(qū)域，低矮建筑環(huán)境內風力機的安裝高度應高于建筑平均高度，且應設置為分時段和分風向工作模式；而低額定風速和低切入風速是建筑環(huán)境內風力機高容量系數(shù)的有效保證，其中低額定風速的影響更大。

關鍵詞：風能評估；湍流；風速；風功率密度；容量系數(shù)；建筑環(huán)境

中圖分類號：TK513.5""""""""""""""" 文獻標志碼：A

0 引 言

當前風能應用主要源于安裝于陸地和海洋的風力機。依據(jù)能源市場預測分析，到2030年，陸地和海上風力機在風能總產(chǎn)量中所占份額將有可能達到相等［1］。在遠離居民區(qū)的陸地和近海淺水區(qū)安裝大量風力機后，具有豐富風能且尚未被開發(fā)的深海和城市（和郊區(qū)）地區(qū)成為風能應用發(fā)展的新領域［2-3］。

城市風能應用有3種方式：1）在現(xiàn)有建筑頂面安裝風力機；2）在建筑周邊獨立安裝風力機；3）風力機完全融入建筑設計。但無論是哪種應用形式，安裝風力機以前首先需充分了解風場特征。當前制約城市環(huán)境內風力機安裝的主要困難是缺乏準確評估風力機潛在安裝地點風速和發(fā)電量的方法［4］。因此，開展城市環(huán)境內風場特征的分析研究是城市環(huán)境內風能應用推廣的必要基礎。近幾年有關城市環(huán)境內風場特征研究主要集中在利用CFD方法對建筑頂面風場特征的分析，且結果主要集中在對風速、湍流強度等參數(shù)的分析上［5-8］。還有部分研究采用威布爾分析、微氣象數(shù)據(jù)等對城市或郊區(qū)風能進行評估［9-10］。而采用現(xiàn)場測試方法對城市環(huán)境風場特征開展研究的卻相對較少。Rakib等［11］在對某城市內風場進行了為期12個月測量活動，探明了城市建筑環(huán)境內陣風頻繁且垂直方向上的風速顯著升高。Kikumoto等［12］對日本東京市內風場進行了現(xiàn)場測量，通過對7個月風數(shù)據(jù)的處理分析，獲得了東京市內的風剖面和湍流統(tǒng)計數(shù)據(jù)。Tabrizi等［13-14］利用三維超聲波測風設備對某建筑頂面風場特征進行測量，證明傳統(tǒng)的10 Hz采樣頻率和10 min平均周期風場測量方式將高估城市環(huán)境內的湍流強度值，并指出應針對城市強擾動環(huán)境修改IEC相關標準。楊安石等［15］采用三維超聲波測風設備對臺灣“國立”臺北科技大學校園內復雜建筑頂面風速和湍流強度特征進行了分析。鄒強等［16］采用現(xiàn)場測量方法對某多層建筑頂面平均風速、偏航角、湍流強度、陣風因子等風場特征參數(shù)進行分析，結果表明建筑頂面風場與地面風場存在較大差異，在計算屋頂設備結構風荷載時應考慮這一差異。

總體上看，城市環(huán)境內風場特征明顯有別于開闊地域的風場特征，現(xiàn)有研究仍存在以下兩個問題：1）僅對建筑頂面或周邊風速、湍流強度特征進行分析，有關其他特征（如湍流積分尺度、粗糙度指數(shù)和陣風因子等）的研究較少；2）大多數(shù)研究都是利用CFD方法或傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)開展的，利用現(xiàn)場測量方法的較少。而現(xiàn)場測量是風場特征和風資源評估量化研究的最佳方法。繼續(xù)開展城市建筑環(huán)境內風場特征的實驗研究是掌握城市風場湍流特征的必要工作。

有鑒于此，本文利用高精度激光雷達測風系統(tǒng)ZephIR 300，對某城市建筑環(huán)境內的風場特性進行為期12個月的現(xiàn)場測量，獲取多個高度上風速、風向及湍流強度等參數(shù)隨時間的變化特征，分析建筑環(huán)境內風場的湍流特征；同時，對6種小型風力機的年容量系數(shù)進行計算及比較，評價城市建筑風場環(huán)境內風力機出力情況，以期為城市風能應用的推廣發(fā)展提供一定的實驗數(shù)據(jù)支持。

1 實驗地點及測量設備介紹

1.1 實驗地點的選取

本實驗以內蒙古呼和浩特市近郊某建筑群周圍風場為研究對象。該建筑群位于北緯40.89°，東經(jīng)111.76°。建筑群北側緊鄰深度15～20 m、直徑近100 m的沙坑，近1 km范圍內有少量高度不超8 m的廠房；東側2 km內多為順列布置的廠房和庫房，平均高度不超10 m；西側近1 km范圍內以低矮平房為主，平均高度不超4 m；南側2 km范圍內仍以低矮建筑為主，且數(shù)量較多，最高建筑高度不超8 m；更遠其他范圍內以耕地為主。具體情況如圖1所示，圓圈區(qū)域為目標建筑群，其環(huán)境特征如圖2所示。

目標建筑群共包含6座建筑，其中建筑1～3為主體建筑，占地面積較大，建筑1高度不超10 m，建筑2高度可達20 m，建筑3平均高度8 m；而建筑4～6較小，平均高度不超5 m。

呼和浩特市地處內蒙古自治區(qū)中部大青山南側，冬季多刮偏北風（北風、東北風、西北風），夏季多刮偏南風（南風、東南風、西南風）。市區(qū)10 m高度年均風速為1.67 m/s，最大風速14 m/s，主導風向為西北風，夏季東南風向頻率增大。

1.2 測風設備

實驗所用測風設備為ZephIR 300激光雷達測風系統(tǒng)，如圖3a所示。該設備可實現(xiàn)對11個高度（11～200 m范圍）上風速、風向及湍流強度值的同時采集（如圖3b所示），并可自動長期存儲測風數(shù)據(jù)，風速測量分辨率高達0.003 m/s，具有運行穩(wěn)定、環(huán)境適用性強等特點，是復雜風場長期監(jiān)測的理想設備。ZephIR 300激光雷達測風系統(tǒng)的具體技術參數(shù)見表1，其采樣頻率為1 Hz。

依據(jù)呼和浩特市年主風向情況，ZephIR 300激光雷達測風系統(tǒng)放置于目標建筑群的西側，具體位置如圖2中五角星所示。

由于靠近地面的風場較復雜，實驗中遵循低處密高處稀的布點原則，11個測量高度分別為11、20、39、50、60、80、100、120、150、180及200 m。實驗測量時間為2018年12月1日—2019年11月31日，為期12個月。正常情況下，每天每個高度會產(chǎn)生4975個數(shù)據(jù)，但由于短時間斷電及設備臨時故障，數(shù)據(jù)可能存在部分缺失。但依據(jù)圖4的風速數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計結果可知，測量周期內絕大多數(shù)月份內的數(shù)據(jù)完整率都保持在94%以上，僅2018年12月因臨時故障數(shù)據(jù)完整率為89.8%，2019年6月因停電頻繁數(shù)據(jù)完整率為92.7%。但總體來說，測量周期內風速數(shù)據(jù)的平均完整率為96.0%，根據(jù)《風電場風能資源評估方法》［17］，有效數(shù)據(jù)完整率達到90%即視為有效數(shù)據(jù)。因此本文所得實驗數(shù)據(jù)完整有效，可作進一步分析。同時，測風系統(tǒng)10 min輸出一次平均值，后期數(shù)據(jù)分析均基于系統(tǒng)輸出的10 min平均值。

2 建筑環(huán)境內風場特征的分析

2.1 風速特征分析

為獲取建筑周圍的風速特征，利用式（1）計算日（或月，或年）平均風速。

[vavg=1ni=1nvi]""" （1）

式中：[vavg]——日（或月、或年）平均風速，m/s；[n]——測量周期內采集風速的次數(shù)；[vi]——10 min內風速測量值的平均值，m/s。測量周期內的月平均風速如圖5所示。

從圖5可見，所有高度上風速的變化規(guī)律基本一致，在5、8及11月份出現(xiàn)了風速高峰值，其中5月份的風速最大。這與呼和浩特市的年風速特征基本一致，即冬季風速較?。?2月份—次年2月份），所有高度上的最大風速不超3 m/s；而在春季風速最大（3—5月份），最大風速達到5.3 m/s。同時可見，隨著距離地面高度的增大，風速梯度逐漸減小，尤其是39 m高度以后，這是由于隨著高度增加風速受地表障礙物的影響減小所致。

風速的算術平均值不能直接用于計算風能，這是因為風功率與風速的三次方成正比，平均值的三次方和先三次方后再平均的結果顯然不同。因此，為了計算風能，通常把風速分割成[n]個相等的區(qū)間（例如，0～1 m/s、1～2 m/s、2～3 m/s等區(qū)間）然后統(tǒng)計每個風速區(qū)間的數(shù)據(jù)點數(shù)量，即發(fā)生頻率，然后依據(jù)式（2）計算得到風能平均風速［18］。

[vavg，hub=j=1nv3avg，jtjT3]" （2）

式中：[vavg，hub]——風能平均風速，m/s；[vavg，j]——第[j]個風速區(qū)間的風速中間值，m/s；[tj]——第[j]個風速區(qū)間風速發(fā)生所占時間，min；[T]——風速的總測量周期，min。由式（2）計算得到的各個高度上實驗測量周期內的年風能平均風速如表2所示。表2中同時列出所有高度上年平均風速[vavg，Y]、風速標準差SD、年風功率密度[Pw]及年平均湍流強度[TIY]。其中年風功率密度[Pw]可由式（3）計算得到。

[Pw=12ρv3avg，hub]""" （3）

式中：[Pw]——風功率密度，W/m2；[ρ]——空氣密度，kg/m3，文中取正常條件下（溫度15 ℃、壓強為101.3 kPa）ρ=1.225 kg/m3。

從表2可見，隨著高度增加，年平均風速梯度逐漸減小。同時高度越低，風速標準差越小，風速分布越集中于風速平均值附近，風速的波動幅度越小。為探尋各個高度上風速的分布概率，利用式（4）計算風速分布概率曲線。

[F（V）=tj（vj）T×100%]"" （4）

式中：[F（V）]——風速分布概率，%；[tj（vj）]——測量期間內第j個風速區(qū)間內風速出現(xiàn)的時間，min。文中將風速劃分為0～1 m/s、1～2 m/s、2～3 m/s、…共25個相等區(qū)間，所有高度上風速的分布概率如圖6所示。圖中對應顏色細實線為利用威布爾概率密度函數(shù)所獲得的風速分布概率密度曲線，其中的威布爾分布參數(shù)利用最大釋然法獲得。

從圖6可見，所有高度上的風速主要集中在0～3 m/s區(qū)間內，出現(xiàn)頻率最高的風速在2.0～2.5 m/s，而大于10 m/s風速的出現(xiàn)概率幾乎為零。在11和20 m高度上，最高頻率風速約為2 m/s，出現(xiàn)頻率高達35%。隨著高度的增加，最大頻率風速有所增大，當高度高于39 m后，最大頻率風速穩(wěn)定到2.5 m/s。從圖6中還可見，所有高度上威布爾分布與實際風速分布概率之間存在一定差距，且隨著高度增加，兩者間的差距也略有增大。尤其是對低于5 m/s區(qū)間內風速分布概率的預測，由威布爾分布所獲得的風速分布概率明顯低于風速的實際分布概率。同時，由威布爾分布所確定的最高頻率風速值也明顯低于實際，在11和20 m高度上，威布爾分布確定的最高頻率風速分別為1.26和1.20 m/s，而實際的最高頻率風速約為2 m/s；對于高于39 m后的高度，由威布爾分布確定的最高頻率風速約為1.75 m/s，而實際的最高頻率風速約2.5 m/s。

可見，建筑環(huán)境內0～3 m/s低風速的出現(xiàn)頻率明顯增大，且高度越低，低風速出現(xiàn)的頻率越高，最高頻率風速值也越小；傳統(tǒng)威布爾概率密度分布對城市環(huán)境內風速分布概率的預測存在偏差，不能準確對城市環(huán)境內的低風速分布概率做出預測。這與文獻［11］的研究結果相一致。

2.2 風向特征分析

實際上風力機的輸出功率還將受到風向變化的影響。為探尋各風向上風速分布概率，文中將風向分為24個相等區(qū)間，每一區(qū)間為15°，統(tǒng)計各風向區(qū)間內風速的出現(xiàn)頻率，結果如圖7所示。由于篇幅所限，這里僅給出11、50、80、120及200 m高度上的風向風速分布概率圖。圖中同時給出了各風向區(qū)間內的風功率密度。

從圖7中可看到，所有高度的盛行風集中在0°～90°和300°～360°風向區(qū)間上，即所有高度上以西北和東北方向為主。其中高度較低時北風較多，而隨著高度的增加，西風也逐漸增多。也就是說，隨著高度增加，風向變化越頻繁，盛行風向越難確定。

從圖7中還可看到，所有高度上的風功率密度都存在165°、225°及345°共3個峰值。且隨著高度增加，約165°的峰值逐漸增大，而約225°的峰值卻逐漸減小，只有偏北風向的風功率密度峰值一直較大。也就是說，所有高度上偏北風向的可用風能最大；隨著高度增加，西南方向的可用風能逐漸增多。雖然0°～90°區(qū)間內的風向出現(xiàn)頻率較高，但風功率密度卻相對較低，且高度越大，該風向區(qū)間內的風功率密度越低。可見，在建筑環(huán)境內安裝風力機時，不能僅以盛行風向為依據(jù)選擇安裝地點，而應考慮不同風向上的風功率密度。

2.3 湍流強度特征分析

由表2可知，所有高度上的年平均湍流強度均大于20%，且測量高度越低湍流強度越大。11 m高度上年平均湍流強度達到29.0%，而200 m高度上年平均湍流強度降低至22.3%。但總體來說建筑環(huán)境內風場的湍流強度明顯較大，屬于強擾動環(huán)境，安裝風力機時需格外關注湍流強度對風力機的影響。

圖8為12個月內所有高度上24 h湍流強度變化曲線?？煽吹?，11 m高度處的湍流強度在00：00—06：00時間段內較低，但平均值不低于25%；而在10：00后達到最大，平均湍流強度達到30%以上。20 m高度處24 h湍流強度變化曲線與11 m處的基本一致，只是隨著高度增加，所有時段內的湍流強度均有所降低。

高度達到39 m以后，所有高度上的湍流強度隨高度增加而降低的幅度較小，尤其在07：00—18：00時間段內，各個高度上的湍流強度分布特征基本一樣。在19：00—06：00時間段內，各個高度上的湍流強度處于最低水平，其中39～80 m高度上的湍流強度略高于20%，而100～200 m高度上的湍流強度則開始低于20%。可見，本實驗環(huán)境內風力機的安裝高度應高于20 m，以避開強湍流區(qū)域?？紤]文中實驗環(huán)境中建筑平均高度不超20 m，因此可認為在低矮建筑環(huán)境內，為保證風力機的運行安全，風力機安裝高度應高于建筑平均高度。同時可設置風力機在07：00—18：00時間段內停止工作，以保證風力機的運行安全和使用壽命。

圖9為12個月內所有高度上湍流強度在24個風向的分布情況?？煽吹剑?1和20 m高度上所有風向下的湍流強度顯著高于其他高度上。且所有高度上的湍流強度僅在75°和225°風向時最小，而其他廣闊的風向區(qū)域內湍流強度都較大，尤其是120°～210°風向區(qū)間內，湍流強度一直大于24%。因此，為了保證風力機的運行安全，要求風力機處于該風向區(qū)間時停止工作。

3 風力機容量系數(shù)的評估

容量系數(shù)定義為風力機的平均功率與額定功率的比值［16］，即：

[FC=PavPrated×100%]"""""" （5）

式中：[FC]——容量系數(shù)；[Pav]——風力機平均功率；[Prated]——風力機的額定功率。其中風力機額定功率可由式（6）進行計算。

[Prated=12ρACPηmeshηeleV3r]"""" （6）

式中：[ρ]——空氣密度，[ρ=1.225] kg/m3；[A]——風輪掃掠面積；[CP]——風能利用系數(shù)；[ηmesh]——機械效率；[ηele]——電力損失系數(shù)；[Vr]——風力機額定風速。

風力機的平均功率可由式（7）計算得到。

[Pav=0∞Pe（v）F（V）dv]" （7）

式中：[Pe（v）]——風速為[v]時所對應的風力機功率，W。[F（V）]詳細值可參見圖6。由于風力機可運行區(qū)間為切入風速[Vcin]和切出風速[Vcout]之間，因此[Pav]可按小于切入風速[Vcin]、切入風速到額定風速[Vr]、額定風速[Vr]到切出風速[Vcout]、大于切出風速[Vcout]這4個區(qū)間計算，見式（8）。

依據(jù)上面分析可知，建筑環(huán)境內的風力機安裝高度應高于20 m，因此文中計算了輪轂中心高度分別為39、50及60 m時表3中所列6種風力機的年容量系數(shù)，如表4所示。其中6號風力機為自行設計風力機，該風力機為三葉片水平軸風力機，風輪直徑為3.24 m，額定尖速比為5。

[Pav=0，Vlt;Vcin12ρACPηmechηeleV3，Vcin≤Vlt;Vr12ρACPηmechηeleV3r，Vr≤Vlt;Vcout0，V≥Vcout]""""" （8）

從表4可看到，對于額定風速相同的風力機，切入風速較低的風力機其年容量系數(shù)較大，其中Aeolos-1風力機因切入風速僅為1.5 m/s年容量系數(shù)最大。同時可看到，額定風速相同的5臺風力機的容量系數(shù)相差較??；而切入風速相同的風力機，隨著額定風速的不同容量系數(shù)相差較大，額定風速最大的Nordex-250風力機的年容量系數(shù)最低?？梢?，低額定風速和低切入風速均有利于建筑環(huán)境內風力機高容量系數(shù)的保持，其中低額定風速的影響更大。

但總體來說，6臺風力機的年容量系數(shù)均較低，在60 m高度上，風力機的最大年容量系數(shù)也僅為8.88%。而且以上容量系數(shù)是依據(jù)風速特征計算得到的，實際上受到建筑環(huán)境強湍流特征的影響，風力機運行時間一定低于理論運行時間，其容量系數(shù)將更低?？梢?，以上型號的風力機都不適用于建筑風場環(huán)境，開發(fā)設計適用于建筑環(huán)境強湍流風場的新型高效風力機是促進建筑環(huán)境內風能應用發(fā)展所必須解決的問題。同時可見，實驗區(qū)域并不是風力機的理想安裝地點，但可考慮將風力機安裝于筑高處邊緣、建筑間通道等具有局部高風速的位置。

4 結 論

利用ZephIR 300激光雷達測風設備對呼和浩特市某建筑風場內11個高度上的風速、風向及湍流強度值進行為期12個月的采集，獲得城市建筑環(huán)境內風場的湍流特征，并分析6種風力機的年容量系數(shù)，得到以下主要結論：

1）所有高度上0～3 m/s低風速的出現(xiàn)頻率明顯增大，出現(xiàn)頻率最高的風速在2.0～2.5 m/s，而大于10 m/s風速的出現(xiàn)概率幾乎為零。

2）傳統(tǒng)威布爾概率密度不能對建筑環(huán)境內的低風速分布概率做出準確預測。

3）建筑環(huán)境內安裝風力機時，不能僅以盛行風向為依據(jù)選擇安裝地點，而應考慮不同風向上的風功率密度。

4）在低矮建筑環(huán)境內，為保證風力機的運行安全，風力機安裝高度應高于建筑平均高度；同時為保證風力機的運行安全和使用壽命，可設置風力機分時段工作模式。

5）低額定風速和低切入風速是建筑環(huán)境內風力機高容量系數(shù)的有效保證，其中低額定風速的影響更大。

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WIND ENERGY POTENTIAL AND MICRO-WIND TURBINE PERFORMANCE ANALYSIS BASED ON SITE MEASURE MENTS IN

URBAN ENVIRONMENT

Hou Yali1，2，Li Guanghao1，Yang Yuxin1，Li Rongyang1，Wang Jianwen1，2

（1. School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

2. Key Laboratory of Wind and Solar Energy Utilization and Optimization in Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010051， China）

Abstract：This paper evaluates the wind resource in a building environment of Hohhot by employing ZephIR 300 lidar wind measuring device for 12 months. Thus， wind speed， wind direction and turbulence intensity at 11 heights are obtained. Then wind characteristics and annual capacity coefficients of six wind turbines are analyzed based on experimental data. The results show that the frequency of low wind speed （0-3 m/s） is obviously higher at all heights， while the maximum frequency wind speed is decreasing and the occurrence of wind speed greater than 10 m/s is almost zero. Moreover， the traditional Weibull probability density distribution cannot accurately predict the probability of low wind speed distribution in the urban environment. Although there is high frequency of wind direction in 0°-90°， the wind power density is relatively low. Therefore， installation site of wind turbine in a building environment is determined by simultaneously considering the prevailing wind direction and the wind power density in different wind directions. In order to avoid the strong turbulence area， the installation height of wind turbine in the low-rise building environment should be higher than the average building height， and it should be set as the working mode of different periods. Last， both the low rated wind speed and the low cut-in wind speed are guarantees for a higher capacity factor in a building environment and the low rated wind speed has greater effect.

Keywords：wind energy assessment； turbulence； wind speed； wind power density； capacity factor； building environment