梅 亮

(華潤新能源投資有限公司四川分公司，四川 成都 610000 )

0 引言

根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030 年前碳達(dá)峰行動方案的通知》[1]，到2030 年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12 億kW 以上。截至2021 年底，我國風(fēng)電裝機(jī)3.28 億kW、光伏發(fā)電裝機(jī)3.06 億kW[2]，距離12 億kW 的目標(biāo)還有很長一段距離。2022 年國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》[3]指出，加快負(fù)荷中心及周邊地區(qū)分散式風(fēng)電的建設(shè)。分散式風(fēng)電項(xiàng)目受制于國家政策和電網(wǎng)消納等因素，裝機(jī)容量一般在6 ～50 MW 之間，裝機(jī)容量較小。出于建設(shè)成本和時間成本考慮，部分投資企業(yè)前期未設(shè)立測風(fēng)裝置，其項(xiàng)目風(fēng)能資源評估參考周邊地區(qū)測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)，導(dǎo)致投資的項(xiàng)目出現(xiàn)發(fā)電量不及預(yù)期，偏差較大的情況。

近地層風(fēng)切變指數(shù)表征風(fēng)速隨離地高度增加的變化程度，其值越大表示風(fēng)速隨離地高度增加的變化越大。風(fēng)切變指數(shù)的變化與大氣穩(wěn)定度、地形地貌、地表粗糙度等條件有關(guān)。風(fēng)能資源評估、風(fēng)電機(jī)組選型等風(fēng)電場選址評估的重要環(huán)節(jié)中，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的變化對于機(jī)組載荷安全性評估和風(fēng)電場投資效益的變化程度需要使用風(fēng)切變指數(shù)這個重要參數(shù)。陳燕[4]等利用江蘇省沿海地區(qū)的連續(xù)42 個月，時間間隔為10 min 長序列，高時間分辨率的5 座測風(fēng)塔觀測資料，分析了江蘇不同地區(qū)及高度的風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果表明風(fēng)切變指數(shù)隨環(huán)境在0.15 ～0.26 之間變化。崔陽[5]等利用湖北省27 座測風(fēng)塔研究了湖北平原地區(qū)和山地地區(qū)的風(fēng)切變特征差異。龔強(qiáng)[6]等利用遼寧省26 座測風(fēng)塔完整年逐時測風(fēng)數(shù)據(jù)，研究了風(fēng)切變指數(shù)的季節(jié)變化、日變化以及風(fēng)速大于10.8 m/s大風(fēng)情況等條件下的近地層風(fēng)切變特征，結(jié)果表明風(fēng)切變指數(shù)空間分布規(guī)律不明顯，受局地地形和地貌環(huán)境影響較大。龔璽[7]等分析了內(nèi)蒙、河北、江西等地區(qū)100 m 湍流觀測數(shù)據(jù)的風(fēng)切變指數(shù)，結(jié)果表明在內(nèi)陸的簡單地形中，分層風(fēng)切變指數(shù)大于0.4 的概率2.95%。國外也開展了風(fēng)切變指數(shù)的研究，F(xiàn)arrugia[8]研究了在地中海氣候條件下風(fēng)切變指數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果顯示實(shí)際測量的風(fēng)切變指數(shù)與傳統(tǒng)的1/7 固定取值差異較大；Dimitrov[9]等利用高度分布在60 m ～200 m 的2 個測風(fēng)裝置實(shí)測測風(fēng)數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)切變指數(shù)在風(fēng)電機(jī)組荷載計(jì)算分析中的驗(yàn)證結(jié)果，并認(rèn)為不能隨意采用風(fēng)切變指數(shù)推算上層高度的風(fēng)速。Maeda[10]等利用日本某處測風(fēng)數(shù)據(jù)，通過低高度層的風(fēng)切變指數(shù)將20 ～30 m 高度的風(fēng)速推算至100 m 高度風(fēng)速，結(jié)果顯示推算的風(fēng)速誤差超過20%。

重慶地區(qū)多為山地地形，山地地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)變化受時間和空間的影響因素較多，利用傳統(tǒng)的固定值風(fēng)切變指數(shù)或周邊測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)來推算其他山地地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)會引入較大的人為數(shù)據(jù)誤差。重慶地區(qū)地形復(fù)雜，海拔落差大，地表附著物較多，部分區(qū)域森林茂密，不同地理位置的風(fēng)切變指數(shù)差異較大。具有代表性的實(shí)測測風(fēng)數(shù)據(jù)不多，國內(nèi)針對重慶市山地地區(qū)近地層風(fēng)切變指數(shù)的研究較少。本文利用重慶市內(nèi)特定區(qū)域的7 座離地高度為80 ～90 m 并有10 ～70 m 各高度層的完整年測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，對比分析7 座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)的季度變化、月度變化、日變化、高度變化、空間位置變化、以及不同風(fēng)速段變化，與《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[11]中無實(shí)測數(shù)據(jù)條件下的風(fēng)切變指數(shù)參考值1/7(約0.143)對比分析誤差，為重慶地區(qū)山地地區(qū)分散式的風(fēng)電開發(fā)利用等提供風(fēng)切變指數(shù)模擬參考。

1 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)

1.1 測風(fēng)塔分布

重慶總的地勢是東南部、東北部高，中部和西部低，西北部和中部以丘陵、低山為主，東南部和東北部有武陵山和大巴山兩座大山脈。重慶市風(fēng)能資源較好的地方主要分布在武陵山和大巴山山系及其周邊，東部及北部海拔較低的地方風(fēng)能資源較差。本次收集重慶地區(qū)7 座實(shí)測測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)對重慶市西部、中部及東北部丘陵地區(qū)風(fēng)切變進(jìn)行研究，7 座測風(fēng)塔覆蓋了重慶市風(fēng)能資源較好和較差的地方，具有一定的代表性，測風(fēng)塔位置分布如圖1 所示。

圖1 重慶市7座測風(fēng)塔位置分布圖

1.2 測風(fēng)塔測量信息

以重慶市內(nèi)離地高度80 ～90 m 的7 座測風(fēng)塔為研究對象，測風(fēng)塔信息見表1 所列，其中1 座測風(fēng)塔分布在西部山地地區(qū)，5 座測風(fēng)塔分布在中部山地地區(qū)，1 座測風(fēng)塔分布在東北部山地地區(qū)。7 座測風(fēng)塔測量時間段見表1 所列，每座測風(fēng)塔測量時間為1 個完整年。為便于研究，本文將50 m 以下高度稱為下層，50 m以上稱為上層，每座測風(fēng)塔的測量高度見表1所列。

表1 重慶市7座離地高度80～90 m測風(fēng)塔信息

1.3 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)處理

依據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[11]對7 座測風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)及各觀測層數(shù)據(jù)的完整性、合理性和時空一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除無效數(shù)據(jù)。根據(jù)《風(fēng)電場氣象觀測資料審核、插補(bǔ)與訂正技術(shù)規(guī)范》[12]對缺測數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，對于數(shù)據(jù)完整率較低的測風(fēng)塔，在經(jīng)過風(fēng)速顯著性及相關(guān)性檢驗(yàn)后，利用同塔插補(bǔ)或周邊相鄰測風(fēng)塔進(jìn)行異塔插補(bǔ)訂正，補(bǔ)充為完整年。最終7 座測風(fēng)塔風(fēng)速的有效數(shù)據(jù)完整率均達(dá)到90%以上。

2 風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法

風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算方法可以采用指數(shù)律或?qū)?shù)律，目前大多數(shù)研究均推薦采用指數(shù)律方法[5], 具體表達(dá)式為：

式中：v1和v2分別為高度z1和z2處的平均風(fēng)速，(m/s)；α為風(fēng)切變指數(shù)。為了綜合反應(yīng)風(fēng)切變狀況，將式(1)兩邊取對數(shù)[5]，進(jìn)而得到式(2)：

本文利用式(3)分別計(jì)算測風(fēng)塔M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7 的風(fēng)切變指數(shù)，并進(jìn)行分析。

3 近地層風(fēng)切變特征分析

風(fēng)切變指數(shù)受不同地形、垂直高度及氣候條件的影響具有一定的變化特征，對7 座測風(fēng)塔開展風(fēng)切變指數(shù)的時間和空間變化特征對比分析?？紤]到分散式風(fēng)電項(xiàng)目多為無實(shí)測測風(fēng)數(shù)據(jù)的情況，基于重慶市7 座測風(fēng)塔的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析對比實(shí)測數(shù)據(jù)與《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[11]中無實(shí)測數(shù)據(jù)情況下的風(fēng)切變指數(shù)參考值的誤差。

3.1 時間變化

3.1.1 季度變化

7 座測風(fēng)塔季度的風(fēng)切變指數(shù)變化范圍如圖2 所示，M1、M2、M5、M6 測風(fēng)塔為夏季的風(fēng)切變指數(shù)較大，M3、M4、M7 測風(fēng)塔為秋季的風(fēng)切變指數(shù)較大。

圖2 重慶市7座測風(fēng)塔不同季節(jié)的風(fēng)切變指數(shù)

3.1.2 月度變化

7 座測風(fēng)塔月度風(fēng)切變指數(shù)變化范圍為0.01 ～0.39。從圖3 看出，M1 ～M7 風(fēng)切變月平均最大值分別出現(xiàn)在7 月、6 月、10 月、10 月、7 月、6 月、9 月。M1 ～M7 風(fēng)切變月平均最小值分別出現(xiàn)在12 月、12 月、6 月、1 月、1 月、9 月、12 月。7 座測風(fēng)塔月度最大值和最小值不呈現(xiàn)相同月份的規(guī)律性特征。

圖3 重慶市7座測風(fēng)塔不同月份的風(fēng)切變指數(shù)

3.1.3 日變化

7 座測風(fēng)塔的日變化風(fēng)切變指數(shù)差異較大，為更好的展示各測風(fēng)塔在不同時刻的日變化，定義風(fēng)切變i時段標(biāo)幺值H：

式中：i表示每天相同間隔1 小時的時間段，αi時刻表示每天相同i時間段風(fēng)切變指數(shù)的年平均值，α年表示所有時間段風(fēng)切變的年平均值。

從圖4 看出，除M1 和M7 外，其余5 座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)日變化趨勢相對平穩(wěn)，上午9 點(diǎn)至下午18 點(diǎn)風(fēng)切變指數(shù)相對其他時間段略有降低，呈現(xiàn)白天小、夜間大的晝夜特點(diǎn)。但M1 和M7 測風(fēng)塔風(fēng)切變?nèi)兆兓厔輨×遥衔? 點(diǎn)至下午18 點(diǎn)風(fēng)切變指數(shù)相對其他時間段相對較大，呈現(xiàn)白天大、夜間小，與其他測風(fēng)塔相反的晝夜特點(diǎn)。7 座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)的日變化存在白天和夜間的差異化現(xiàn)象，但并不是完全呈現(xiàn)白天小、夜間大的特點(diǎn)。

圖4 重慶市7座測風(fēng)塔每小時風(fēng)切變指數(shù)標(biāo)幺值日變化

3.2 空間變化

3.2.1 海拔變化

各測風(fēng)塔位置均為山地區(qū)域，從圖5 看出，測風(fēng)塔的年風(fēng)切變指數(shù)差異較大，變化范圍是0.04 ～0.34，風(fēng)切變指數(shù)并未隨海拔高度呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

圖5 重慶市7座測風(fēng)塔不同海拔年風(fēng)切變指數(shù)變化

3.2.2 層高變化

為便于研究，本文將50 m 以下高度稱為下層，50 m 以上稱為上層。從圖6 看出，編號為M1、M3、M7 的3 座測風(fēng)塔上層風(fēng)切變指數(shù)為負(fù)值，M2、M4、M5、M6 測風(fēng)塔的上層風(fēng)切變指數(shù)明顯低于下層風(fēng)切變指數(shù)。整體來看，7 座測風(fēng)塔50 m 以上的上層風(fēng)切變指數(shù)均小于50 m 以下的下層風(fēng)切變指數(shù)。

圖6 重慶市7座測風(fēng)塔不同層高年風(fēng)切變指數(shù)變化

3.2.3 風(fēng)速段變化

從圖7 看出，除M2、M5 外，其余測風(fēng)塔在1 ～3 m/s 和3 ～5 m/s 的風(fēng)速段，風(fēng)切變指數(shù)相對全部風(fēng)速段均較小。在大于5 m/s 的風(fēng)速段，M2、M5、M6 呈現(xiàn)隨風(fēng)速增大而風(fēng)切變指數(shù)變小的趨勢，M1、M3、M4 和M7 呈現(xiàn)隨風(fēng)速增大而風(fēng)切變指數(shù)變大的趨勢。

圖7 重慶市7座測風(fēng)塔不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)變化

3.3 參考值誤差幅度分析

《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[11]指出，如果沒有不同高度的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，風(fēng)切變指數(shù)α取1/7(約0.143)作為近似值。重慶地區(qū)多為山地地形，風(fēng)切變指數(shù)變化差異較大，以7 座實(shí)測測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，對比分析與1/7(約0.143)參考值的誤差幅度。

從圖8 看出，各測風(fēng)塔相對于1/7(約0.143)的參考值，誤差范圍為15%～137%，誤差幅度較大。重慶地區(qū)的分散式風(fēng)電項(xiàng)目在無實(shí)測測風(fēng)數(shù)據(jù)的情況下，需謹(jǐn)慎使用1/7(約0.143)的參考值。

圖8 重慶市7座測風(fēng)塔年風(fēng)切變指數(shù)與參考值的誤差幅度

4 結(jié)論

本文利用重慶市7 座離地高度80 ～90 m山地地區(qū)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，研究分析了其時間和空間變化特征。

1) 7 座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)總體呈現(xiàn)夏秋季風(fēng)切變指數(shù)較大，冬春季較小的特點(diǎn)。

2) 7 座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)的日變化存在白天(9：00 ～18：00)和夜間的差異化現(xiàn)象。

3)根據(jù)本文對7 座測風(fēng)塔的分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)切變指數(shù)大小與海拔高度無線性相關(guān)關(guān)系。

4) 7 座測風(fēng)塔50m 以上的上層風(fēng)切變指數(shù)均小于50 m 以下的下層風(fēng)切變指數(shù)。

5) 7 座測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)變化范圍為0.04 ～0.34，相比1/7(約0.143)的參考值，實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)誤差幅度最高到達(dá)137%。

重慶市不同山地地區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)變化范圍較大，季度、月度及日變化未呈現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)律性變化趨勢。7 座測風(fēng)塔50 m 以上的風(fēng)切變指數(shù)小于50 m 以下的風(fēng)切變指數(shù)，部分測風(fēng)塔甚至出現(xiàn)負(fù)切變，同時相比1/7(約0.143)的參考值，實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)誤差幅度最高到達(dá)137%。

通過本文的研究，重慶市山地地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)差異較大，在重慶市山地地區(qū)實(shí)施分散式風(fēng)電的實(shí)際工程項(xiàng)目時，不應(yīng)盲目采用項(xiàng)目周邊地區(qū)測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)或1/7(約0.143)的參考值。為準(zhǔn)確評估項(xiàng)目風(fēng)切變指數(shù)，建議分散式風(fēng)電項(xiàng)目仍需設(shè)立測風(fēng)裝置。本次收集的測風(fēng)塔數(shù)量僅有7 座，無法覆蓋重慶南部、東部、西北部等山地地區(qū)，后續(xù)將繼續(xù)收集測風(fēng)數(shù)據(jù)，以完善重慶地區(qū)的結(jié)論。