淺析風電場微觀選址中的幾個關鍵技術

劉曉群　李嶸　　曹偉　張騰飛　趙策

摘 要：隨著風電技術的不斷進步，風力發電場的建設增加了電能的供應，極大地緩解了電力供需的矛盾，且風力資源屬于可再生資源，無污染，因此在近年來受到各個國家的重視。風電場微觀選址則是在宏觀選址中選定的小區域中，考慮由風場環境引發的自然風的變化及由風力發電機組自身所引發的風擾動（即尾流）因素，確定如何排列布置風力發電機組，使整個風力發電場年發電量最大。該文從地形和地貌、風力發電機組尾流、排布效率以及載荷風況等幾個關鍵技術對微觀選址的影響做了簡單的剖析。

關鍵字：微觀選址 地表粗糙度 障礙物遮擋效應 排布效率 載荷風況

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0063-01

風電場選址分為宏觀選址和微觀選址，宏觀選址遵循的原則是根據風能資源調查與分區的結果，選址最有利的場址，以求增大風力發電機組的輸出，提高供電的經濟性、穩定性和可靠性；微觀選址則是在宏觀選址中選定的小區域中，考慮由風場環境引發的自然風的變化及由風力發電機組自身所引發的風擾動（即尾流）因素，確定如何排列布置風力發電機組，使整個風力發電場年發電量最大，從而降低能源的生產成本以獲得較好的經濟效益。該文從幾個關鍵技術的角度出發，對風電場微觀選址做了初步的探討。

1 地形和地貌的影響

地形和地貌對風的影響主要來自于三個方面：粗糙度、地形和障礙物。下面分別對此予以闡述。

1.1 地表粗糙度

地表粗糙度由地表粗糙元的尺寸和分布決定。地表粗糙長度對風速的影響是巨大的，粗糙元的改變對風電場發電量的影響也不容忽視，如周圍樹林在風場運行期間逐漸長高，這就需要在微觀選址時予以充分考慮。

1.2 地形加速效應

地形對近地層風的影響是非常大的，是風資源工程研究的重點之一。當達到一定高度后，地表形態對風的影響將消失，平均風速趨于相等。由于地形加速效應，在山地風電場，風力發電機組的選址幾乎都是在山脊之上。

1.3 障礙物遮擋效應

障礙物遮擋效應分為風速降低效應和湍流增加效應。

遮擋效應可以定義為：由地貌中障礙物引起的風速的相對降低。一個障礙物是否對某點產生遮擋效應取決于：關注點與障礙物的距離；障礙物的高度；關注點的高度；障礙物的長度；障礙物的孔隙率。

一般認為當關注點與障礙物的距離超過障礙物高度的50倍，關注點的高度超過障礙物高度3倍時，障礙物的遮擋效應消失或可忽略不計。障礙物的形式十分多樣，和其他地理元素的界限也并不十分清晰。障礙物的思想在微觀選址時可以靈活運用：可能有遮擋效應時，按照障礙物考慮；若無遮擋效應，則按照粗糙元或地形考慮。

障礙物不僅能顯著地降低風速，還會在附近產生大量的湍流。障礙物產生的湍流區可以達到障礙物高度的三倍，且下風向的湍流更加劇烈。因此在微觀選址時，要特別注意避開障礙物，尤其是障礙物在主導風向的上風向時。

2 風力發電機組尾流的影響

經過風輪的氣流相對于風輪前的氣流來說，速度減小，湍流度增強，該部分氣體所在的區域即稱為風力發電機組尾流區。風力發電機組尾流區可以劃分為近尾流區和遠尾流區兩個區域。由于風力發電機組尾流效應的發展是在整個風場范圍內的，風場中相鄰兩臺風力發電機組的尾流相遇時會產生效果的疊加，處于尾流疊加區域內的風力發電機組的出力得不到保證，風力發電機組尾流效應的存在將大大減少下游風力發電機組的出力，所以風場布置時要盡量減少風力發電機組尾流效應對其下游風力發電機組的影響。

3 排布效率

排布效率是用來表征與風力發電機的排布直接相關的風場發電量效率，是折減了尾流造成的發電量損失后的效率。排布效率有時也習慣被稱為風場效率。盡量減少尾流損失，從而提高排布效率，是風場發電量優化的的重點工作之一。

應該注意的是，單臺風力發電機的排布效率可能是不同的，而這里關注的是風場整體的排布效率。通常，風場的排布效率應該不低于93%，而單臺風力發電機的排布效率應該不低于88%。但有時為節約土地，在有限的空間內提高風場的裝機容量，就要在排布效率上做出讓步了。

影響排布效率的因素主要有：平均風速和主導風向；平均湍流強度及風力發電機的抗湍流能力；風場區域的走向、地形和粗糙度特征；風力發電機的數量或裝機容量；土地使用的法律和環境限制。

4 載荷風況

載荷風況也是微觀選址要考慮的重要內容，地形復雜的風場尤為突出。載荷風況不直接反映在發電量上，但是對風力發電機的載荷卻起到決定性作用。降低風力發電機的載荷可以降低維修成本，確保風力發電機的服役期達到20年的設計壽命，同時減少由于維修停機造成的發電量損失。影響風力發電機載荷的風況主要有：

4.1 湍流強度TI

湍流強度用來表征風速波動的劇烈程度。顯然，風速波動越大，對風力發電機的機械結構越大，造成的載荷也越大。實際上，風力發電機的載荷隨著湍流強度增加而指數增長。IEC標準定義了不同等級的湍流強度工況，因此湍流強度還是風力發電機選型的依據之一。復雜風場中，測風塔的實測湍流強度通常低估了多數風力發電機遭遇的湍流強度。此外，測風塔的實測湍流強度是沒有風力發電機尾流影響的背景湍流。

入流角：入流風向與水平面的夾角稱為入流角。水平軸風力發電機的理想入流角為0°，即風水平吹。入流角主要由地形坡度決定，通常坡度越大，入流角越大。和湍流強度一樣，入流角也會嚴重影響風力發電機的關鍵受力部件的載荷。另外，入流角的存在還可能降低風力發電機的發電量。平均風流的入流角不應該超過8°。

4.2 風剪切

風剪切是指水平風速隨高度的變化。一般來說，風力發電機葉輪面頂部的風速高于底部，槳葉每次旋轉周期內都因此前后彎折，造成了材料的疲勞損傷。在復雜的風場中，風速的垂直切變變得復雜，引起額外的脫離流，進而增加湍流強度。在完成微觀選址時，要避開風剪切指數大的位置。

4.3 極端風況

風力發電機的載荷分為疲勞載荷和極端載荷兩種工況。極端載荷發生概率很低，但是一旦發生則破壞性極強，因此應該予以足夠的重視。

5 結語

綜上所述，用來為一臺或更多風力發電機組確定位置的微觀選址，為了使得風力發電機組排布最佳，風電場的全部電力輸出最大，在其選址過程中，需要綜合考慮到地形和地貌、風力發電機組尾流、排布效率以及載荷風況等多種要素的影響。

參考文獻

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