鄭愛玲，謝軍

（1. 中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2. 廣東粵電湛江風(fēng)力發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524043）

0 引言

本文從兩方面入手，分析向岸風(fēng)登陸后的衰減機(jī)理，即下墊面摩擦衰減以及前排風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)引起的尾流衰減。結(jié)合南方某風(fēng)電場運(yùn)行前后的兩測風(fēng)塔的測風(fēng)案例分析，用實(shí)例驗(yàn)證理論的衰減模型，從而對該類型沿海風(fēng)電場的排列布置方法提供參考及依據(jù)。

1 向岸風(fēng)衰減機(jī)理

1.1 下墊面摩擦衰減機(jī)理

幾乎所有的人類生活、生產(chǎn)都處于大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組同樣在大氣邊界層下運(yùn)行發(fā)電。大氣邊界層的厚度差異很大，晴天白天高度可達(dá)1km－2km，而夜間當(dāng)?shù)孛鎻?qiáng)烈冷卻時，可能只有100m，平均而言，可認(rèn)為厚度幾百米或量級為1km。大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動則是下墊面作用的結(jié)果，大氣邊界層以上自由摩擦層的風(fēng)速則不受下墊面的影響[1]。受下墊面的摩擦影響，在地面及海面，空氣運(yùn)動速度為零，隨著垂直高度的升高，摩擦影響逐漸減小，風(fēng)速逐漸恢復(fù)增加，當(dāng)高度升高至大氣邊界層邊緣，風(fēng)速得以完全恢復(fù)。在這個零風(fēng)速與邊界層某個高度處的某個風(fēng)速之間會形成一個風(fēng)切變。下墊面的粗糙度長度不同，摩擦影響不同，垂直風(fēng)速的恢復(fù)程度也不同[2]，下墊面粗糙度越大，風(fēng)廓線指數(shù)（垂直風(fēng)切變）也越大[3]。圖1為四種不同下墊面特性的風(fēng)廓線指數(shù)及風(fēng)廓線圖，圖中從左至右的風(fēng)廓線指數(shù)分別為0.12、0.16、0.20、0.30，分別代表A：近海海面、海島、湖岸；B：田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵；C：密集建筑群的城市市區(qū)；D：密集建筑群且建筑物較高的城市市區(qū)。

1.2 尾流衰減

由于葉輪的障礙物影響，葉輪背后存在尾流區(qū)，尾流區(qū)是一種能量的陰影區(qū)，隨著地表粗糙度的增大引起大氣的擾動增大或大氣對流湍流度的增大，尾流區(qū)以外的氣流與尾流區(qū)進(jìn)行混合及能量的補(bǔ)充，隨著越遠(yuǎn)離葉輪，兩區(qū)域越混合越充分、對尾流區(qū)的能量補(bǔ)充越多、尾流區(qū)越小，最終，兩種流動完全混合、尾流陰影區(qū)完全消失、流動完全恢復(fù)到葉輪前的狀態(tài)。這就是尾流衰減以及流動的恢復(fù)。位于葉輪背后，越靠近葉輪，受尾流影響越大、衰減越大，離葉輪越遠(yuǎn)，受尾流影響越小，衰減越小。

為了準(zhǔn)確判斷前排風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)運(yùn)行引起的尾流影響所產(chǎn)生的能量損失，從20世紀(jì)80年代開始，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行試驗(yàn)及演算。其中，N.O. Jensen線性數(shù)學(xué)模型是沿用至今較廣泛簡單的模型。該模型假設(shè)在葉輪背后的尾流依據(jù)線性擴(kuò)展，其受風(fēng)電機(jī)組的推力系數(shù)及尾流衰減常數(shù)（尾流擴(kuò)展率）的影響，如公式（1）所示。

其中：Ct:推力系數(shù)；

D:葉輪直徑；

X:前后兩個風(fēng)電機(jī)組的距離；

K:擴(kuò)散系數(shù)；

擴(kuò)散系數(shù)K（尾流衰減常數(shù)）隨場址地表粗糙度而變，擴(kuò)散系數(shù)K隨著地表粗糙度等級的增大而增大。圖2為不同高度下，尾流擴(kuò)散系數(shù)隨粗糙度等級變化而變化的情況。當(dāng)?shù)乇碇脖辉矫?、房屋越多，地表粗糙度越大，尾流擴(kuò)散系數(shù)K越大，從公式（1）可以看出，當(dāng)推力系數(shù)Ct、葉輪直徑D、前后兩風(fēng)電機(jī)組的距離X確定的情況下，當(dāng)?shù)乇泶植诙仍酱螅琄越大，則風(fēng)速恢復(fù)得越快、V越大。即：大氣擾動越大，能量的補(bǔ)充及混合能力越好，尾流擴(kuò)散范圍越大，尾流區(qū)越短，速度恢復(fù)得越快；當(dāng)?shù)乇泶植诙仍叫?，K越小，則風(fēng)速恢復(fù)得越慢、V越小。即：大氣擾動越小，能量的補(bǔ)充及混合能力越差，尾流擴(kuò)散范圍越小，尾流區(qū)越長，速度恢復(fù)得越慢。

2 案例分析

2.1 案例介紹

本案例位于南方沿海北熱帶氣候區(qū)，主風(fēng)向?yàn)镹E—E。風(fēng)電場安裝33臺單機(jī)容量為1.5MW的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組，于2010年投產(chǎn)運(yùn)行?，F(xiàn)收集到本案例2003年及2011年現(xiàn)場兩測塔的測風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料。2003年為投產(chǎn)前，2011年為投產(chǎn)后。場址范圍內(nèi)有兩個測塔，1＃測塔位于風(fēng)電機(jī)組東部潮間帶，2＃位于前排風(fēng)電機(jī)組西部約720m。由于本案例長年主風(fēng)向?yàn)镹EN－ENE，參照IEC61400－12測試功率曲線的原理，后排風(fēng)電機(jī)組位于1＃測塔的190 ~330 （S－NW）方位，而來自190 ~330 區(qū)域的風(fēng)頻小于20%、風(fēng)能頻率小于10%。而2＃測塔位于前排風(fēng)電機(jī)組背后，在330 ~190 （順時針）均受前排風(fēng)電機(jī)組的影響，從風(fēng)能玫瑰圖和風(fēng)向玫瑰圖可判斷，80%的風(fēng)頻及90%的風(fēng)能均受到前排風(fēng)電機(jī)組的影響。故可將1＃測風(fēng)塔等同于未受影響的測塔，2＃測塔等同于受影響的測風(fēng)塔。本案例測風(fēng)塔、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能玫瑰示意圖如圖3所示。

2.2 下墊面引起的摩擦衰減

2003年投產(chǎn)前，1＃測塔與2＃測塔均未受風(fēng)電機(jī)組尾流影響，1＃測塔位于潮間帶，故可認(rèn)為1＃測塔記錄到未受陸地下墊面摩擦影響的向岸風(fēng)風(fēng)況。而2＃測塔離岸720m，記錄經(jīng)過720m陸地下墊面摩擦衰減影響的向岸風(fēng)風(fēng)況。兩測塔于2003年的測風(fēng)情況如表1所示。

從表1可以看出，1＃測塔所記錄的風(fēng)速未受陸地下墊面的摩擦衰減影響，其記錄到平均風(fēng)速為6.98m/s，2＃測塔位于岸線后720m，NEN—ENE扇區(qū)的向岸風(fēng)基本垂直于岸線，經(jīng)過約720m的陸地衰減后，2＃測塔70m高度同期平均風(fēng)速為6.31m/s，對比1＃測塔，約衰減9.6%。

表1 2003年兩測塔70m高度測風(fēng)風(fēng)況

海面廣闊波瀾不驚，其粗糙度長度應(yīng)為0.0001，上岸后陸地地貌為灘涂、蝦塘，有矮樹木，粗糙度長度應(yīng)為0.03。假設(shè)陸地與海面的風(fēng)速在500m～1000m高度恢復(fù)至一致。已知1#潮間帶測風(fēng)塔處地表粗糙度為0.0001，2#測風(fēng)塔位于海岸后720m，其地表粗糙度為0.02～0.1，兩測風(fēng)塔70m高度的平均風(fēng)速分別為6.98m/s，6.31m/s，由如下公式（2）可求得在316m～970m高度海面風(fēng)速及陸上風(fēng)速將恢復(fù)至一致。這與平均大氣邊界層幾百米至1千米的量級是一致的。

其中：

故可認(rèn)為，本案例中，1#測風(fēng)塔所處海面粗糙度0.0001，2#測風(fēng)塔所處陸地粗糙度0.02～0.1的假設(shè)是基本合理的，對比1＃測塔，2#測風(fēng)塔位于岸線以內(nèi)720m，受陸地下墊面的影響，衰減9.6%。本案例的風(fēng)廓線圖如圖4所示。

2.3 風(fēng)電機(jī)組尾流引起折減

2010年投產(chǎn)后，2＃測風(fēng)塔所記錄的風(fēng)速則受兩部分衰減影響。一方面是受下墊面的摩擦衰減，另一方面則受前排風(fēng)電機(jī)組的尾流衰減影響。兩測塔于2011年的測風(fēng)情況如表2所示。

由表2所示，1＃測塔所記錄的風(fēng)速未受陸地下墊面的摩擦衰減影響，也未受到風(fēng)電機(jī)組的尾流影響，其2011年的實(shí)測風(fēng)速為6.66m/s。2＃測塔位于岸線后720m，受下墊面摩擦衰減和風(fēng)電機(jī)組尾流影響，同期平均風(fēng)速為5.96m/s，對比1＃測塔，衰減約10.5%。已知海面上70m風(fēng)速為6.66m/s，采用公式（2），求得受下墊面摩擦衰減后陸地風(fēng)速70m高度風(fēng)速為6.02 m/s，衰減約9.6%，而1%則為前排風(fēng)電機(jī)組尾流影響的結(jié)果。采用WAsP軟件建立模型，設(shè)置陸地粗糙度為0.02～0.1，采用1#測風(fēng)塔2011年測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算前排風(fēng)電機(jī)組對2#位置70m高度的尾流影響約為1%～4%，當(dāng)粗糙度為0.03時，尾流影響為2%，與1%的量級十分接近。

表2 2011年兩測塔70m高度測風(fēng)風(fēng)況

3 結(jié)論

下墊面的粗糙度是一把雙刃劍，它引起邊界層內(nèi)能量的衰減，對風(fēng)能的利用起反作用；但對縮短尾流區(qū)、增加能量的混合、促使流動的恢復(fù)起積極的作用。本文通過對下墊面粗糙度正反兩面的案例分析，總結(jié)出影響南方濱海風(fēng)電場第二排風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能資源的關(guān)鍵因素，為南方濱海風(fēng)電場建設(shè)二期、三期提供設(shè)計(jì)參考。

通過對南方某風(fēng)電場運(yùn)行前后的測風(fēng)案例分析， 2003年風(fēng)電場投入運(yùn)行前，位于海邊的測風(fēng)塔與位于內(nèi)陸720m的測風(fēng)塔之間的風(fēng)速衰減9.6%，假設(shè)兩測風(fēng)塔所在位置地表粗糙度為0.0001及0.02～0.1，推算得到本地區(qū)大氣邊界層厚度約316m～970m，符合平均大氣邊界層幾百米至1千米的量級，證明對粗糙度的量級設(shè)置是正確的。風(fēng)電場投運(yùn)后，2011年兩測風(fēng)塔之間的風(fēng)速衰減為10.5%，其中，假設(shè)與2003年風(fēng)電場投入運(yùn)行前一致，9.6%為下墊面引起的摩擦衰減，采用WAsP軟件建立模型，采用1#測風(fēng)塔2011年測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算前排風(fēng)電機(jī)組對2#位置70m高度的尾流影響為2%（地表粗糙度為0.03時），與1%的量級十分接近。證明位于岸線后720m（約10倍葉輪直徑）位置處的風(fēng)資源受下墊面影響大，上岸風(fēng)的衰減較大，衰減約10%左右；相比之下，該位置受前排（沿岸線一線布置）風(fēng)電機(jī)組的尾流影響較小，約1%～4%（地表粗糙度為0.02～0.1時）。故可認(rèn)為，在南方粗糙度等級為1級的沿海風(fēng)電場，離岸邊前排風(fēng)電機(jī)組10倍葉輪直徑以上距離的區(qū)域，受前排沿岸風(fēng)電機(jī)組尾流影響較小，風(fēng)能的衰減主要受下墊面的摩擦影響。

[1] 趙鳴.大氣邊界層動力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] Robert Gasch, Jochen Twele.Windkraftanlagen[M].Wiesbaden:Teubner,2005.

[3] 賀德馨等.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.