風力發電對風電場內近地表風速的影響

朱 靜，溫美沙

(1.張家口市第四中學，河北 張家口 075000；2.河北北方學院 理學院，河北 張家口 075000)

風力發電是清潔和可再生能源，是世界各國大力發展的新能源之一。大力發展風力發電產業，既是培育新的經濟增長點、轉變經濟發展方式的有力抓手，又是實現能源可持續發展、應對氣候變化的重要舉措。然而，風電開發對生態環境的影響一直受到社會關注，風電開發與生態環境保護之間的矛盾愈發尖銳，勢必會阻礙風電產業的持續健康發展。在碳中和的大環境下，可再生能源的開發和生態環境的保護同等重要。國外的風力發電建設比較早，比如丹麥的風車早已聞名于世界。國內的風力發電起步比較晚，但是國內風力發電的發展速度比較迅速。

1 研究現狀

1.1 國內研究進展

李國慶和趙宗慈都認為風力發電過程中會吸收氣流的動量，從而使下游地區風速減小20%～40%，影響范圍達到30～60 km，這一影響范圍可能會隨風電場規模增加而增大。所不同的是李國慶主要運用模型模擬的方法，而趙宗慈主要運用觀測和數值模擬兩種方法。胡菊的研究發現，在下墊面不均勻情況下，風力機下游的湍流也會不對稱；當地表不均勻時，風機會造成風速減小0.3～0.5 m/s，在地表均勻的情況下，風機會使風速減小幅度更大。因此地貌會影響風電場內風速的大小。而李彩娟分析表明，裝機容量的增加沒有使張家口地區的風速減小，而是使張家口地區的風速逐年增加。她主要運用SAS軟件，做年風速與裝機容量、年裝機臺數、新增裝機容量之間的相關性分析，結果顯示它們之間沒有顯著的相關性；進一步分析了各個因素的平方的相關性，并得出線性回歸方程，結果表明相關性顯著。

1.2 國外研究進展

對丹麥一個風電場的觀測數據進行計算發現，如果進入風電場的風速為8～9 m/s，風電場的運行對于動量有所吸收，同時在70米處的風機還存在摩擦力作用，由此導致在風電場的下風方向風速會明顯降低，其中下風方向6 km的風速和原有風速的比值是0.86，在8 km處的比值是0.88，即使之后有所回升，到11 km處，比值已經達到0.9，但是仍然不能回到最初的風速。Keith應用兩個全球環流模型(geophysical fluid dynamics laboratory，GFDL)及國家大氣研究中心(national center for atmospheric research，NCAR)發現大規模的利用風電，風電機的運行會提取空氣中的動能進而改變大氣邊界層內的湍流運輸。東京大學 Wang等利用全球大氣-海洋和陸地完全耦合模式系統 CCM3，考慮各種限制因素，將各種限制因素設置理想狀態進行論證，結果發現，風電場的設置使近地面風速發生變化。Porte-Agel主要應用大渦模擬風電場對當地氣象潛在影響研究，結果表明，風力機降低當地風速。

國內外的大量研究表明，風力發電可能會影響當地的土壤、降水、鳥類遷徙等，自然環境牽一發而動全身，自然要素發生變化，從而導致局部氣候發生變化[2-13]。鑒于此，通過科學的研究分析，有效預測可能出現的環境問題，提前做好預防措施是必要的。本文通過實測獲得近地表風速，研究風力發電對風電場內近地表風速的影響。鑒于內蒙古自治區風力資源十分豐富，裝機規模和裝機速度位于全國第一位，此次采樣調查的風電場最終定于巴彥淖爾市烏拉特中旗。

2 研究區域概況及研究方法

2.1 研究區域概況

2.1.1 地理位置 烏拉特中旗地處內蒙古自治區巴彥淖爾市，經度107.27°～109.7°E，緯度41.12°～41.47°N。北邊與蒙古國接壤，國界線有184 km，東面與包頭市相鄰，南與烏拉特前旗、臨河區、五原縣、杭錦后旗相鄰，西是烏拉特后旗。烏拉特中旗有豐富的風能資源，是內蒙古自治區最佳風能區之一。一年中平均風速≥8 m·s-1的時數在北部是2 382 h，占全年的27.2%，中部為871 h，占全年的93%。烏拉特中旗歷年平均大風(風速≥17 m·s-1，8級)日數為28～74 d，最多的年份達到60～129 d，最少也有4～34 d，春季大風日數是15～26 d，占全年的35%～53%。

2.1.2 地形地貌 烏拉特中旗在內蒙古高原西部，因為陰山山脈東西走向的二狼山、烏梁素太山、查斯太山的存在，導致烏拉特中旗被分割成南北不同的自然地貌，地域變化或過渡差異明顯，可以分成南部平原區和北部高原區。

2.1.3 風電場概況 風電場位于內蒙古巴彥淖爾市烏拉特中旗海流圖鎮，經度108.39°E，緯度41.99°N。隸屬于神華集團內蒙古分公司內蒙古國華能源投資有限公司，風電場內共有266臺風機，2011年至2016年分批運行，共5期。每臺風機的裝機容量1.5 MW，共投資49 738萬元。此風電場所處地勢平坦，有利于對風電場內近地表風速的研究。

2.2 風速采集過程

2.2.1 風速采集儀器 環境氣象數據記錄儀、監測儀U30-NRC，安裝方便，適用范圍廣泛?？梢酝ㄟ^HOBOware Pro software來測量，可以同時記錄分析15個以上的環境數據通道。該儀器具備堅固耐用外殼，可以防備惡劣天氣，同時防損。配備有即插即用的傳感器，快速方便?？梢酝ㄟ^USB快速傳送數據，可選模擬輸入傳感器。支持大范圍的測量。正常操作范圍在-20～40 ℃。

2.2.2 風速采集過程及采樣點

① 確定風力發電場中相對獨立的風力發電機(距離其他風力發電機距離≥500 m)為取樣對象，確定當時的主風向，在沿著主風向的方向上，距風機前500 m處架設測量風速儀器，以確保該參照點所測風速為曠野風速。記錄所取采樣點位的經緯度以及海拔，風杯所處高度自下而上風別是0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m，記錄不同高度所對應的風杯編號，啟動儀器，直至采樣結束關閉儀器。

② 沿著主風向方向，在風力發電機前20 m，記錄所取采樣點位的經緯度以及海拔，架設測量風速儀器，記錄不同高度所對應的風杯編號，啟動后測量時間為10 min。

③ 停止風速測量儀器導出數據，觀察數據是否獲取以及儀器使用是否正常。

④ 在風力發電機后20 m，垂直主風向，架設3臺測量風速儀器，記錄不同高度所對應的風杯編號，3臺儀器間距30 m，啟動儀器，每臺儀器測量時間為5 min。同時記錄所取采樣點位的經緯度以及海拔。

⑤ 5分鐘后，將儀器平行向后挪至距離風力發電機50 m處，3臺測量儀器的測量時間依舊為5 min。以此類推，距離風力發電機的距離依次為20、50、100、300、500 m。

⑥ 采樣結束，將測量數據導入電腦以及U盤，關閉風速測量儀器，對風速測量儀器進行拆卸。采樣點如圖1所示。

圖1 采樣點示意

2.2.3 數據處理 將不同時間不同實驗點的數據進行整理，初步通過Excel對數據進行處理，求出實驗點與參照點的平均風速。

1)風速廓線的概念及計算

風速廓線又稱平均風速梯度或風剖面。表示平均風速沿著高度變化規律的曲線。是風的重要特性之一。風廓線通常有兩種描述方法：一種是對數描述，一種是指數描述。

① 對數法

在離地面高度100 m以內的大氣層中，剪切應力可以忽略不計。這時的風速廓線為普朗特對數規律分布。

U(z)為離地面Z高度的平均風速；U*為摩擦速度；K為常數，一般取0.4；Zd為零平面位移，對應城市地貌；Z0為地面粗糙度，其對應值為表1。

表1 不同地形地面粗糙度 單位：m

近年來研究發現，風速廓線的對數分布規律占大氣層高度的10%，所以在100 m之內，風速廓線的對數分布規律都是有效實用的[14]。

② 指數法

U(z)為離地面Z高度的平均風速，Ur為參考高度處風速，Z為高度，Zr為參考高度，a為地面粗糙度指數。不同地形地面粗糙度指數見表2。

表2 不同地形地面粗糙度指數

2)Surfer的應用

風力發電對不同高度風速流場變化的影響主要運用Surfer進行處理研究。Surfer是由美國Golden Software公司開發的一款繪制三維立體圖的軟件，該軟件插值功能和繪制圖件能力非常強大。利用Surfer可以繪制基面圖、數據點位圖、等值線圖、分類數據圖、矢量圖線框圖、地形地貌圖、趨勢圖等多種立體圖。本文利用surfer繪制距離風電機不同距離的風速變化圖以及不同高度的相同距離的實驗點的風速變化立體圖。

3 分析與結果

3.1 風速廓線分析

3.1.1 距離風機20 m風速廓線分析 沿主風向方向，在風機前方500 m處，風速不受風機的干擾，將此處所測得的風速作為參照風速。通過測量離風機20 m處的風速與參照點的風速廓線對比，研究風速是否受到風機的影響。距離風機20 m設置2個實驗點，分別位于風機前20 m處和風機后20 m處。理論上風機前20 m風速應等于參照點的風速。沿主風向方向，將位于風機前方20 m處的實驗點與參照點的風速廓線進行對比，如圖2所示，參照點的風速隨著距離地面高度的增加而增大，根據風速增長斜率，在距離地面0.2～0.5 m內，風速增加幅度較大。在大部分高度上，風機前20 m實驗點的風速小于參照點的風速。出現這種情況可能是風機或下墊面性質對實驗點風速產生影響，仍需進一步論證。位于風機后方20 m處設置實驗點，其風速與參照點的風速廓線對比如圖3所示，參照點的風速變化趨勢與實驗點變化趨勢基本一致，都隨著高度的增加而增大，在距離地面0.2～1 m內的風速增加幅度比較大。實驗點風速小于參照點風速。

圖2 風機前20 m風速廊線對比

3.1.2 距離風機50 m風速廓線分析 沿主風向方向，位于風機后方50 m的實驗點與參照點風速廓線對比如圖4所示，實驗點與參照點的風速隨著距離地面高度增加而增大，實驗點與參照點都在距離地面0.2～0.5 m處風速增加幅度較大，整體上兩者風速差別不大，但實驗點風速還是稍低于參照點風速。

圖4 風機后50 m風速廊線對比

3.1.3距離風機100 m風速廓線分析 沿主風向方向，位于風機后方100 m的實驗點與參照點的風速廓線對比如圖5所示，風機后100 m實驗點與參照點的風速都隨著高度的增加而增大，而且它們的變化趨勢大致相同。與之前實驗點不同的是，在0.2～2 m風機后100 m實驗點的風速大于參照點的風速。

3.1.4 距離風機300 m風速廓線分析 沿主風向方向，位于風機后方300 m處的實驗點與參照點的風速廓線對比如圖6所示，風機后300 m實驗點在距離地面0.2～0.5 m之間風速增加幅度較大，在距離地面0.5～2 m范圍內，風速近乎于勻速增長。參照點的風速在距離地面0.2～1 m，風速增加幅度較大。在1～2 m，風速增大幅度有所減小。在大多數高度范圍內，風機后300 m實驗點的風速小于參照點的風速。

3.1.5 距離風機500 m風速廓線分析 位于風機后500 m處的實驗點與參照點的風速廓線對比如圖7所示，風機后500 m實驗點在距離地面0.2～0.5 m之間的風速增加幅度比較大，在距離地面0.5～2 m風速持續均勻增長，增加的幅度有所減弱。參照點的風速在距離地面0.2～1 m大幅度均勻增長，在距離地面1～2 m風速增加幅度有所減弱。在大多數高度范圍內，風機后300 m實驗點的風速小于參照點的風速。

3.2 風力發電對不同高度風速流場變化的影響

通過Surfer對于不同高度的風速進行處理，在圖8～12中，橫坐標為實驗點的緯度，縱坐標為實驗點的經度，圖中曲線為等風速線，顏色由淺至深表示風速由小到大。實驗點風速為風速流場內的風速，參照點的風速為風速流場外的風速。在風速流場內，延主風向，離風機越遠，風速越大。

圖8 2 m風速變化

圖9 1.5 m風速變化

圖11 0.5 m風速變化

圖8～12中的數據檢測結果見表3。

表3 距離地面不同高度實驗點與參照點的風速對比

風機后500 m的風速與參照點進行對比，在距離地面2、1.5、1 m的高度處，風速流場內的風速均小于風速流場外的風速。在距離地面0.5 m處，場內風速達到場外風速水平并且超過場外風速；在距離地面0.2 m處，最終恢復到場外的風速。

4 結 論

(1)在距離風電機20、50、300和500 m處，實驗點風速在距離地面0.5～2 m高度內都小于參照點的風速。距離風機后50 m和風機后500 m，僅在距離地面0.2～0.5 m之間，實驗點的風速都大于參照點的風速。而風機后100 m的風速廓線圖顯示，實驗點的風速均大于參照點的風速。

(2)風機會阻擋風速，同時風葉旋轉也會減弱風速，因此，流場內風速應低于流場外風速。但在距離風電機100 m處，實驗點的風速大于參照點的風速，在風機后300 m處，實驗點的風速又再次小于參照點的風速。造成這種結果的原因，是地形地貌還是側風的影響需要進一步討論。

(3)根據Surfer處理的圖片發現，在距離地面2、1.5、1 m的高度上，風速流場內的風速小于風速流場外的風速。在距離地面0.5 m處，場內風速達到場外風速水平并且超過場外風速；在距離地面0.2 m處，最終恢復到場外的風速。這樣的結果是否是摩擦力的影響造成的，還需要進一步的論證研究。