劉 航，薛文亮

(中節(jié)能風力發(fā)電股份有限公司，北京 100082)

風電項目的投資決策離不開科學準確的風資源測量和評估，而山地風電場因其地形的復雜多樣性，不但增大了風資源評估的難度，評估結(jié)果的不確定性也隨之增加，給投資決策帶來了困難，加大了項目投資的風險[1]。復雜地形風電場風資源的精準評估是目前行業(yè)的痛點，需要結(jié)合項目的各自特點，不斷探索和總結(jié)，提升對復雜地形項目的認知[2]。

本文以湖北某山地風電場為實驗對象，研究斷崖山體所形成的垂直坡度地形的風資源特性。通過現(xiàn)場測風，對比分析斷崖山體頂部不同位置的風速、湍流特性，從而了解垂直坡度地形的風資源分布特點、識別出潛在風險位置，為類似地形項目評估和機位選址提供參考。對于復雜地形的風電場，流體軟件的仿真結(jié)果有時會出現(xiàn)較大的偏差，該研究同時對流體軟件的仿真結(jié)果進行驗證，避免在軟件使用中出現(xiàn)誤評。

1 測風位置的選擇

圖1為風電場所在位置的等高線地形圖，風電機組計劃安裝在圖1所示的中部山頂?shù)呐_地區(qū)域。除西南方向一個較小的扇區(qū)范圍外，臺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_地內(nèi)部為起伏較緩的山丘地形，海拔在2 080～2 200 m之間，山頂臺地內(nèi)部的地形相對簡單。

為了研究氣流流過斷崖類的垂直坡度地形后，風速、湍流等風資源特征在山頂臺地不同區(qū)域的變化情況，在現(xiàn)場設置了A和B兩個測風點，進行同期平行測風，如圖1所示。A點位于臺地北部的斷崖邊緣地帶，海拔2 155 m。B點遠離斷崖邊緣，位于山頂臺地的腹地，距離A點0.85 km，海拔2 160 m。A點和B點連線方向地勢平緩，兩點海拔高度接近，相差僅5 m，兩點的地表粗糙度也基本一致。為了降低因山頂臺地內(nèi)部地形變化對本次研究的影響，僅對兩點連線方向，即60°±15°扇區(qū)的來流風速進行取樣分析。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)，提升分析的準確度，兩個位置同期平行測風3個月，采樣間隔10 min，依據(jù)《風電場風能資源評估方法GB/T 18710-2002》進行數(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。

圖1 風電場等高線地形圖及測風位置圖

2 風資源特性分析

2.1 風速分析

對45°～75°扇區(qū)風速進行統(tǒng)計分析，風速統(tǒng)計結(jié)果見表1。在40 m、70 m和90 m三個不同高度上，斷崖邊緣A點風速顯著低于臺地腹地的B點風速，A點風切變明顯高于B點。從表1中A點和B點的風速差值還可以看出，隨著高度的下降，A點風速的下降速度快于B點。在山頂臺地區(qū)域兩點連線的45°～75°范圍內(nèi)，地形和海拔基本一致、粗糙度一致的情況下，導致風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，導致水平方向的風能降低，越靠近地表，這一影響越嚴重。氣流隨著向臺地腹地的深入，垂直坡度地形對風流的影響逐漸減小。

表1 A點和B點實測平均風速對比表 m·s-1

圖2為使用風資源流體軟件WT模擬的45°～75°風向扇區(qū)的全場風資源圖譜。本次仿真使用B點90 m高度的測風數(shù)據(jù)進行模擬，A點的模擬風速為5.90 m/s，高于A點5.15 m/s實測風速，也高于B點5.60 m/s實測風速，A點的模擬風速與實測結(jié)果差異較大。軟件模擬與輸入的條件、參數(shù)的設置，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，即使兩點距離很近，使用腹地內(nèi)的測風塔模擬斷崖邊緣的風資源會出現(xiàn)較大的模擬偏差。

圖2 使用B點測風數(shù)據(jù)模擬45°～75°扇區(qū)的風資源圖譜圖

2.2 湍流強度分析

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

圖3 A點和B點90 m湍流對比圖

圖4 A點和B點70 m湍流對比圖

圖5 A點和B點40 m湍流對比圖

3 結(jié) 語

通過以上對垂直坡度地形風電場風資源特性的分析可知，如果來流風向上存在垂直或近似垂直的坡度地形，將對坡頂邊緣位置的風速和湍流產(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，坡頂邊緣位置入流角過大也會嚴重影響機組關(guān)鍵受力部件的安全性能[5]。因此在風電場的機位選址時，為了充分利用場內(nèi)風能資源，提高機組的發(fā)電性能，確保機組能夠安全可靠地運行，在主導風向上應盡量避免選擇垂直坡度地形的坡頂邊緣位置，而是選擇遠離坡頂邊緣、氣流恢復的腹地更加合理和可靠。

表2 A點和B點各高度湍流對比表