陳釔西 邵聰穎

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 研究背景

風(fēng)電是一項(xiàng)發(fā)展正熱的可再生清潔能源項(xiàng)目。集中的大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)至今，受用地限制，可開發(fā)區(qū)域日漸飽和。利用分散土地、風(fēng)資源的分散式風(fēng)電漸漸出現(xiàn)，解決了集中用地的問題。2018年，國(guó)家能源局發(fā)布《分散式風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)暫行管理辦法》提出：“鼓勵(lì)各類企業(yè)及個(gè)人作為項(xiàng)目單位，在符合土地利用總體規(guī)劃的前提下，投資、建設(shè)和經(jīng)營(yíng)分散式風(fēng)電項(xiàng)目?！逼髽I(yè)利用自身建設(shè)用地的空閑土地建設(shè)風(fēng)電工程，節(jié)約了寶貴的土地資源，還可將風(fēng)電工程所產(chǎn)生的電力用于企業(yè)生產(chǎn)、辦公、生活等消耗，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展與綠色低碳的新能源相結(jié)合。

復(fù)雜地形的風(fēng)資源評(píng)估已有很多先例，未來利用企業(yè)園區(qū)的分散式風(fēng)電將迎來發(fā)展，但缺少相應(yīng)風(fēng)資源評(píng)估的研究。在對(duì)以工業(yè)園區(qū)為背景的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估時(shí)，風(fēng)機(jī)分布較為分散，且與園區(qū)內(nèi)建筑物及設(shè)備水平距離通常在幾百米左右，如何對(duì)這些影響因素進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估，如何提高園區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性？這是急需進(jìn)行探討和研究的問題。

本文利用計(jì)算軟件建立了工業(yè)園區(qū)風(fēng)資源評(píng)估模型，計(jì)算了粗糙度和障礙物模型共同作用下的風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)資源，可為今后相關(guān)的工程提供參考。

1 計(jì)算模型

對(duì)風(fēng)流的影響因素主要有三個(gè)：（1）地形的加速效應(yīng)；（3）粗糙度的變化效應(yīng)；（3）障礙物的遮蔽效應(yīng)。目前，成熟的風(fēng)資源預(yù)測(cè)軟件有WAsP、WT等。WAsP是用來預(yù)測(cè)風(fēng)氣候、風(fēng)資源和風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量的計(jì)算機(jī)軟件，是丹麥理工大學(xué)風(fēng)能部開發(fā)的最早的風(fēng)資源評(píng)估軟件。WASP是一種操作簡(jiǎn)單、方便、快捷的計(jì)算機(jī)模型[1]，適用于簡(jiǎn)單地形的風(fēng)資源評(píng)估。WAsP在地貌的描述上包括地形高程、粗糙度、障礙物。本文采用WAsP風(fēng)資源評(píng)估軟件分析粗糙度模型及障礙物模型在工業(yè)園區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用。

1.1 地形

WAsP采用一種線型計(jì)算模型，由Jackson和Hunt于1975年提出，后由Troen（1990）改進(jìn)的BZ模型。具有以下幾個(gè)特征[2]：

（1）應(yīng)用高分辨率的縮放極坐標(biāo)，與地圖分析程序結(jié)合，計(jì)算模型中心點(diǎn)的風(fēng)流波動(dòng)。

（2）把地表粗糙度情況整合到能譜或尺度分解中?！皟?nèi)部層”的結(jié)構(gòu)通過地表應(yīng)力、平流和壓力梯度間的平衡條件計(jì)算。

（3）采用大氣邊界層的厚度為1km，迫使大尺度（如數(shù)公里）風(fēng)流在高空區(qū)域附近流動(dòng)。

WAsP在每個(gè)關(guān)注點(diǎn)（氣象站和風(fēng)機(jī)）分別進(jìn)行一次極坐標(biāo)網(wǎng)格化，因此，對(duì)于關(guān)注點(diǎn)附近的地形精度應(yīng)盡可能高（見圖1）。

圖1 極坐標(biāo)地形網(wǎng)格

1.2 粗糙度

地表及障礙物引起的地表風(fēng)速減慢，稱為粗糙度。粗糙度可以用粗糙度長(zhǎng)度（z0）描述。

粗糙度長(zhǎng)度表示在平均風(fēng)速變?yōu)?的高度。根據(jù)Lettau[3]提出的經(jīng)驗(yàn)公式，粗糙度長(zhǎng)度（z0）與距地高度h以及與迎風(fēng)面積S有關(guān)，若多個(gè)粗糙度單元均勻地分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，可用水平面積AH進(jìn)行平均化。

Troen和Petersen在歐洲風(fēng)圖集里把地形表面特征分為四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)賦予不同的粗糙度長(zhǎng)度[4]。其中，水面等級(jí)為0，粗糙度長(zhǎng)度為0．0002。利用WAsP建模時(shí)，水面粗糙度長(zhǎng)度必須設(shè)置為0（見表1）。

1.3 障礙物

一些建筑物、樹林離風(fēng)機(jī)或者測(cè)風(fēng)塔很近，不能視為粗糙度單元，應(yīng)當(dāng)看作障礙物。障礙物對(duì)水平距離小于50倍的障礙物高度，垂直距離小于3倍障礙物高度的區(qū)域風(fēng)流特性有很大的影響，建議不要將此區(qū)域視為粗糙度單位。障礙物孔隙率根據(jù)障礙物表面按照表2設(shè)置。

表1 不同地形粗糙度長(zhǎng)度

表2 障礙物孔隙率取值

2 實(shí)例

某分散式風(fēng)電場(chǎng)位于沿海某省某企業(yè)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，所處區(qū)域地形平坦，海拔在5-40m之間。經(jīng)緯方向X和Y范圍分別在37 440 000-37 460 000和2 320 000-2 335 000之間。計(jì)劃布置13臺(tái)2MW風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量共計(jì)26MW，風(fēng)機(jī)輪轂高度100m。

研究區(qū)域附近未立測(cè)風(fēng)塔，缺少詳細(xì)測(cè)風(fēng)資料。分散式風(fēng)電立測(cè)風(fēng)塔的成本太高，吳莎等人[5]提出中尺度數(shù)據(jù)嵌套降尺度計(jì)算的方法，即將中尺度數(shù)據(jù)應(yīng)用于虛擬測(cè)風(fēng)塔的點(diǎn)模式，結(jié)合詳細(xì)的地形圖數(shù)據(jù)，獲得更高分辨率的風(fēng)資源圖譜。因此，本文采用該地區(qū)merra2中尺度數(shù)據(jù)作為虛擬測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，虛擬測(cè)風(fēng)塔位置與數(shù)據(jù)產(chǎn)生點(diǎn)一致，位于風(fēng)電場(chǎng)西南側(cè)，坐標(biāo)為（37442650,2326338）。根據(jù)中尺度風(fēng)模擬數(shù)據(jù)，該區(qū)域主風(fēng)向?yàn)镹E～NNE，100m高度處年平均風(fēng)速5．69m/s，空氣密度為1．185kg/m3。

2.1 地圖的處理

圖2 案例區(qū)域地形圖及風(fēng)機(jī)布置

研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載，地理空間數(shù)據(jù)云提供分辨率30m精度和90m精度的兩種DEM數(shù)據(jù)。本次采用30m精度的DEM數(shù)據(jù)。利用globalmapper軟件生產(chǎn)等高線，利用Wasp自帶的軟件WAsP map editor編輯粗糙度和生成地圖文件。風(fēng)機(jī)布置及地形圖如圖2所示。

2.2 地形描述

研究區(qū)域內(nèi)廠房建筑物及設(shè)施設(shè)備較多，可用于建設(shè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的土地零散、機(jī)位有限。為詳細(xì)表達(dá)風(fēng)場(chǎng)地貌，本文分別采用粗糙度和障礙物模型共同描述風(fēng)場(chǎng)地貌對(duì)風(fēng)流的影響。廠區(qū)粗糙度長(zhǎng)度取0．5m，對(duì)于區(qū)域內(nèi)高于30m的建筑物在WAsP軟件中定義為障礙物（見圖3、圖4）。

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算區(qū)域分辨率設(shè)置為200米，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)3696，得到風(fēng)資源圖如圖5和圖6所示。風(fēng)速介于5．48～6．63m/s 之間，風(fēng)能密度介于 154～276w/m2之間。

圖3 粗糙度模型

圖4 障礙物模型

圖5 風(fēng)速分布圖

圖6 風(fēng)能密度分布圖

根據(jù)上述風(fēng)機(jī)布置，風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算如表3所示，各機(jī)位風(fēng)速在5．7-6．07m/s之間。只考慮尾流損失，風(fēng)場(chǎng)年發(fā)電量共計(jì)75．608Gwh，折合等效利用小時(shí)數(shù)2 908h，具有開發(fā)利用價(jià)值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，后續(xù)可對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)位進(jìn)行調(diào)整。

表3 風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算表

3 結(jié)語

粗糙度變化模型及障礙物遮蔽效應(yīng)模型都是描述地形地貌的方法，一般基于CFD的風(fēng)資源評(píng)估軟件只能考慮粗糙度模型。本文運(yùn)用中尺度數(shù)據(jù)及詳細(xì)的地形資料，結(jié)合粗糙度及障礙物模型，計(jì)算了風(fēng)資源及發(fā)電量。從本案例看，與工業(yè)區(qū)結(jié)合的分散式風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)考慮障礙物的遮蔽效應(yīng)，特別是離風(fēng)機(jī)機(jī)位較近且高度超過風(fēng)機(jī)輪轂高度1/3的障礙物，同時(shí)地表粗糙度取值的合理性對(duì)結(jié)果影響較大，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究。