垂直坡度地形風(fēng)電場的風(fēng)資源特性研究

劉 航，薛文亮

(中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司，北京 100082)

風(fēng)電項(xiàng)目的投資決策離不開科學(xué)準(zhǔn)確的風(fēng)資源測量和評(píng)估，而山地風(fēng)電場因其地形的復(fù)雜多樣性，不但增大了風(fēng)資源評(píng)估的難度，評(píng)估結(jié)果的不確定性也隨之增加，給投資決策帶來了困難，加大了項(xiàng)目投資的風(fēng)險(xiǎn)[1]。復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)資源的精準(zhǔn)評(píng)估是目前行業(yè)的痛點(diǎn)，需要結(jié)合項(xiàng)目的各自特點(diǎn)，不斷探索和總結(jié)，提升對(duì)復(fù)雜地形項(xiàng)目的認(rèn)知[2]。

本文以湖北某山地風(fēng)電場為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究斷崖山體所形成的垂直坡度地形的風(fēng)資源特性。通過現(xiàn)場測風(fēng)，對(duì)比分析斷崖山體頂部不同位置的風(fēng)速、湍流特性，從而了解垂直坡度地形的風(fēng)資源分布特點(diǎn)、識(shí)別出潛在風(fēng)險(xiǎn)位置，為類似地形項(xiàng)目評(píng)估和機(jī)位選址提供參考。對(duì)于復(fù)雜地形的風(fēng)電場，流體軟件的仿真結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，該研究同時(shí)對(duì)流體軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，避免在軟件使用中出現(xiàn)誤評(píng)。

1 測風(fēng)位置的選擇

圖1為風(fēng)電場所在位置的等高線地形圖，風(fēng)電機(jī)組計(jì)劃安裝在圖1所示的中部山頂?shù)呐_(tái)地區(qū)域。除西南方向一個(gè)較小的扇區(qū)范圍外，臺(tái)地周圍被坡度較大的斷崖包圍，斷崖為70°～90°的垂直坡度。山頂?shù)呐_(tái)地內(nèi)部為起伏較緩的山丘地形，海拔在2 080～2 200 m之間，山頂臺(tái)地內(nèi)部的地形相對(duì)簡單。

為了研究氣流流過斷崖類的垂直坡度地形后，風(fēng)速、湍流等風(fēng)資源特征在山頂臺(tái)地不同區(qū)域的變化情況，在現(xiàn)場設(shè)置了A和B兩個(gè)測風(fēng)點(diǎn)，進(jìn)行同期平行測風(fēng)，如圖1所示。A點(diǎn)位于臺(tái)地北部的斷崖邊緣地帶，海拔2 155 m。B點(diǎn)遠(yuǎn)離斷崖邊緣，位于山頂臺(tái)地的腹地，距離A點(diǎn)0.85 km，海拔2 160 m。A點(diǎn)和B點(diǎn)連線方向地勢(shì)平緩，兩點(diǎn)海拔高度接近，相差僅5 m，兩點(diǎn)的地表粗糙度也基本一致。為了降低因山頂臺(tái)地內(nèi)部地形變化對(duì)本次研究的影響，僅對(duì)兩點(diǎn)連線方向，即60°±15°扇區(qū)的來流風(fēng)速進(jìn)行取樣分析。該方向的斷崖坡角接近90°，崖頂?shù)窖碌茁洳罴s350 m，屬于典型的垂直坡度地形。為了采集足夠的樣本數(shù)據(jù)，提升分析的準(zhǔn)確度，兩個(gè)位置同期平行測風(fēng)3個(gè)月，采樣間隔10 min，依據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法GB/T 18710-2002》進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，有效數(shù)據(jù)完整率為80%，所研究的60°±15°扇區(qū)數(shù)據(jù)樣本為871個(gè)。

圖1 風(fēng)電場等高線地形圖及測風(fēng)位置圖

2 風(fēng)資源特性分析

2.1 風(fēng)速分析

對(duì)45°～75°扇區(qū)風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。在40 m、70 m和90 m三個(gè)不同高度上，斷崖邊緣A點(diǎn)風(fēng)速顯著低于臺(tái)地腹地的B點(diǎn)風(fēng)速，A點(diǎn)風(fēng)切變明顯高于B點(diǎn)。從表1中A點(diǎn)和B點(diǎn)的風(fēng)速差值還可以看出，隨著高度的下降，A點(diǎn)風(fēng)速的下降速度快于B點(diǎn)。在山頂臺(tái)地區(qū)域兩點(diǎn)連線的45°～75°范圍內(nèi)，地形和海拔基本一致、粗糙度一致的情況下，導(dǎo)致風(fēng)速差異較大的原因主要是來流方向的空氣流過斷崖，在垂直坡度地形的作用下，氣流狀態(tài)發(fā)生紊亂，導(dǎo)致水平方向的風(fēng)能降低，越靠近地表，這一影響越嚴(yán)重。氣流隨著向臺(tái)地腹地的深入，垂直坡度地形對(duì)風(fēng)流的影響逐漸減小。

表1 A點(diǎn)和B點(diǎn)實(shí)測平均風(fēng)速對(duì)比表 m·s-1

圖2為使用風(fēng)資源流體軟件WT模擬的45°～75°風(fēng)向扇區(qū)的全場風(fēng)資源圖譜。本次仿真使用B點(diǎn)90 m高度的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，A點(diǎn)的模擬風(fēng)速為5.90 m/s，高于A點(diǎn)5.15 m/s實(shí)測風(fēng)速，也高于B點(diǎn)5.60 m/s實(shí)測風(fēng)速，A點(diǎn)的模擬風(fēng)速與實(shí)測結(jié)果差異較大。軟件模擬與輸入的條件、參數(shù)的設(shè)置，以及人為因素均有較大關(guān)系[3-4]。如果不考慮這些影響因素的不確定性，僅從本次模擬結(jié)果可以看出，即使兩點(diǎn)距離很近，使用腹地內(nèi)的測風(fēng)塔模擬斷崖邊緣的風(fēng)資源會(huì)出現(xiàn)較大的模擬偏差。

圖2 使用B點(diǎn)測風(fēng)數(shù)據(jù)模擬45°～75°扇區(qū)的風(fēng)資源圖譜圖

2.2 湍流強(qiáng)度分析

圖3～圖5是A點(diǎn)和B點(diǎn)在90、70 m、40 m三個(gè)不同高度的代表湍流對(duì)比圖和湍流值對(duì)應(yīng)表格(見表2)。在所研究的扇區(qū)范圍內(nèi)，山頂臺(tái)地地形和整體地表粗糙度基本一致的條件下，因?yàn)锳點(diǎn)位于垂直坡度的斷崖頂部邊緣，受地形影響嚴(yán)重，而B點(diǎn)位于臺(tái)地腹地，地形影響減弱，所以實(shí)測結(jié)果為A點(diǎn)湍流顯著大于B點(diǎn)。同時(shí)還可以看出，在40 m高度，A、B兩點(diǎn)湍流差異大，而在90 m高度，兩點(diǎn)湍流比較接近，說明高度越低，地形對(duì)斷崖頂部邊緣影響越嚴(yán)重，隨著高度上升，影響減弱。

圖3 A點(diǎn)和B點(diǎn)90 m湍流對(duì)比圖

圖4 A點(diǎn)和B點(diǎn)70 m湍流對(duì)比圖

圖5 A點(diǎn)和B點(diǎn)40 m湍流對(duì)比圖

3 結(jié) 語

通過以上對(duì)垂直坡度地形風(fēng)電場風(fēng)資源特性的分析可知，如果來流風(fēng)向上存在垂直或近似垂直的坡度地形，將對(duì)坡頂邊緣位置的風(fēng)速和湍流產(chǎn)生不利影響，而隨著向腹地的深入，不利影響逐漸減弱。同時(shí)，坡頂邊緣位置入流角過大也會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組關(guān)鍵受力部件的安全性能[5]。因此在風(fēng)電場的機(jī)位選址時(shí)，為了充分利用場內(nèi)風(fēng)能資源，提高機(jī)組的發(fā)電性能，確保機(jī)組能夠安全可靠地運(yùn)行，在主導(dǎo)風(fēng)向上應(yīng)盡量避免選擇垂直坡度地形的坡頂邊緣位置，而是選擇遠(yuǎn)離坡頂邊緣、氣流恢復(fù)的腹地更加合理和可靠。

表2 A點(diǎn)和B點(diǎn)各高度湍流對(duì)比表