文 | 朱鳳霞

淺談WindSim軟件在復(fù)雜地形條件下測風塔選址中的應(yīng)用

文 | 朱鳳霞

測風塔的代表性，對于風電場風能資源評估、發(fā)電量估算都具有重要意義。選擇合適位置的測風塔才能準確評估一個區(qū)域內(nèi)的風能資源狀況。測風數(shù)據(jù)10%的誤差可能導致風電場年產(chǎn)能30%左右的誤差。選擇一個較為準確及具有代表性的測風塔位置，其測風數(shù)據(jù)可以客觀詳實地反映區(qū)域內(nèi)的風能狀況，是風電場建設(shè)取得良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵；而一個不具有代表性的測風塔將夸大或縮小評估區(qū)域的風速和風功率密度，不能反映客觀事實，有可能因為建成的風電場達不到預(yù)期的發(fā)電量，造成巨大的經(jīng)濟損失，或者因測風塔設(shè)立位置風況不好而放棄開發(fā)，浪費了人力物力資源。因此，選擇合適位置樹立測風塔、提高測風數(shù)據(jù)的準確性和代表性對風電場的開發(fā)具有非常重要的意義。

對于復(fù)雜地形的風電場，由于地形起伏大、變化多，風電場內(nèi)的風能分布情況受眾多因素影響，加大了復(fù)雜地形區(qū)域測風塔選址的難度。鑒此，本文利用WindSim軟件進行規(guī)劃風電場風能資源模擬，綜合考慮風流參數(shù)，為復(fù)雜地形條件下的風電場選取不同數(shù)量的立塔點，并分析其代表性。

軟件介紹

WindSim軟件是由挪威WindSim AS 公司開發(fā)并擁有知識產(chǎn)權(quán)的風能資源評估軟件，是基于先進的CFD（計算流體力學）和邊界氣象學方法，全面模擬分析區(qū)域風資源特性，優(yōu)化風電場設(shè)計的專業(yè)工具。采用CFD的方法進行空間風流模擬，完全求解三維Navier－Stokes方程，并應(yīng)用適合的湍流模型及邊界條件對目標區(qū)域的風流特性參數(shù)進行求解計算。

已有研究表明，WindSim軟件對復(fù)雜地形條件下的風電場風能資源具有一定的模擬能力。

WindSim軟件計算內(nèi)核為Phoenics軟件（Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series），適合于模擬風電場的流動。它使用CFD方法，將全場三維空間區(qū)域建立數(shù)學網(wǎng)格模型，假設(shè)適當?shù)倪吔鐥l件，采用標準k－ξ模型求解雷諾平均納維－斯托克斯方程（N－S方程），主要方程為：

表1　規(guī)劃風電場周圍已有測風塔相關(guān)信息

其中ρ為空氣密度，ν為水平風速，μ為動力學分子粘性系數(shù)，k為常數(shù)。

相對于常規(guī)風能資源評估的線性模型軟件，WindSim可以計算氣流在三維方向上的變化；計算規(guī)劃風電場任何位置的湍流強度及入流角度、風速與風向在葉輪掃風面內(nèi)的變化；計算規(guī)劃風電場任何位置的垂直風廓線、流線跟蹤、模擬測風。并且具有多個測風塔聯(lián)合計算的特點。WindSim軟件沒有對風速輪廓曲線做出任何假設(shè)，因此可以充分模擬到場址的負切變指數(shù)甚至漩渦流動，適用于復(fù)雜地形的風電場。

案例分析

廣東某山地風電場高程范圍為130m－850m，占地面積82km2，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為10MW。場內(nèi)地形高程變化較大，主要為山地地形，原始地貌單元屬山地侵蝕地貌（丘陵及丘間溝谷等），大部分保留原始地貌，地形較復(fù)雜。場區(qū)內(nèi)有零星基巖出露，山上普遍植被較繁茂。目前規(guī)劃風電場場區(qū)內(nèi)沒有測風塔，規(guī)劃風電場周圍已有三座測風塔（A、B、C），測風塔海拔高度分別為275m、745m和414m，已有測風塔的相關(guān)信息見表1。已有測風塔與規(guī)劃風電場的相對位置如圖1所示。

A測風塔距離規(guī)劃風電場場址中心的距離為16km；B測風塔距離規(guī)劃風電場場址中心的距離為21km；C測風塔距離規(guī)劃風電場場址中心的距離為30km。

采用WindSim軟件，建立該區(qū)域的風資源模型，該模型可聯(lián)合A、B、C三座測風塔對大范圍區(qū)域進行風資源模擬，風資源模擬結(jié)果基于三座測風塔的測風結(jié)果，這樣，可以降低測風塔相距較遠、地形較復(fù)雜所引起的誤差。大范圍的風能資源圖如圖2所示。

為了準確評估規(guī)劃風電場的風能資源，需要在規(guī)劃風電場內(nèi)樹立測風塔，獲得實測風速，根據(jù)GB/T 18709－2002《風電場風能資源測量方法》所選測量位置的風況應(yīng)基本代表該風電場的風況；測量位置附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等障礙物，與單個障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應(yīng)保持在障礙物最大高度的10倍以上；對于地形較為復(fù)雜的風電場，應(yīng)選擇兩處及以上安裝測風設(shè)備。利用WindSim軟件選取3座擬立測風塔的位置。擬立測風塔的相對位置如圖3所示。

圖1　已有測風塔與擬建風電場相對位置

圖2　擬建風電場及周圍區(qū)域風能資源分布

圖3　擬立測風塔的相對位置

測風塔權(quán)重分析

規(guī)劃風電場選立3個測風塔點，為了分析所選測風塔點對復(fù)雜地形風電場整體代表性，需考慮每個測風塔對風電場區(qū)域的貢獻（即權(quán)重）。距離測風塔越近的位置，則該測風塔對其權(quán)重則越大，相反的，距離測風塔遠的位置，則該測風塔對其權(quán)重則越小。當測風塔個數(shù)較少時，在距離較遠處，測風塔對其權(quán)重過大，則無法準確評估離測風塔較遠區(qū)域的風能資源品質(zhì)，引起較大誤差；當測風塔個數(shù)較多時，將會造成不必要的浪費

圖4－圖6為所選測風塔對整個區(qū)域的風資源模擬結(jié)果的貢獻（權(quán)重）。

在測風塔1和測風塔3的5km位置處，兩個測風塔對其風資源分析的影響權(quán)重各為50%；在測風塔2位置處，測風塔1對其風資源分析的影響權(quán)重為70%－80%，測風塔3僅對其貢獻20%－30%。這與實際工程中測風塔的有效代表范圍相近。從權(quán)重圖（圖4－圖6）可以看出，在規(guī)劃風電場區(qū)域內(nèi)，測風塔1、測風塔2和測風塔3對規(guī)劃風電場各區(qū)域范圍有較好的權(quán)重影響，所選立測風速能較好的反映整個規(guī)范風電場的風能狀況，具有代表性。

圖4　測風塔1所代表的權(quán)重系數(shù)

圖5　測風塔2所代表的權(quán)重系數(shù)

圖6　測風塔3所代表的權(quán)重系數(shù)

測風塔位置的相關(guān)參數(shù)

在復(fù)雜地形條件下，地形的隆升和低凹變化對風的運動有很大的影響。在近地層中，由于受地面粗糙度的影響，風速隨著高度增加而增大，地面粗糙度越大，風垂直切變越大。

氣流通過障礙物時，障礙物下游會形成尾流擾動區(qū)，風速降低，同時產(chǎn)生湍流，在障礙物的上風向和其外側(cè)造成湍流渦動區(qū)。

用于風能資源評估的測風塔，在選址上必須綜合考慮風流參數(shù)定向計算的結(jié)果。入流角、風切變盡可能小的情況下，根據(jù)具體的地形選擇合適的位置。 利用WindSim軟件計算測風塔1、測風塔2和測風塔3處的風流參數(shù)如下表2所示。由表2可見，風切變和入流角較小，所選測風塔1、測風塔2和測風塔3處位置開闊，受下墊面地形及周圍障礙物影響較小，適合樹立測風塔。

表2　擬建測風塔處風流參數(shù)

總結(jié)

建設(shè)風電場，首先要對選定區(qū)域進行風能資源評估。用于風能資源評估的測風塔，在選址上必須考慮測風塔的代表性，且要綜合考慮風流參數(shù)。在入流角、風切變盡可能小的情況下，根據(jù)具體的地形條件選擇合適的具有一定代表性的位置。WindSim軟件對復(fù)雜地形區(qū)域具有一定的模擬能力，同時可以較為準確地計算出區(qū)域內(nèi)的風流參數(shù)，為風電場前期選取測風塔位置提供較為可靠的依據(jù)，減少由于測風塔代表性不足而產(chǎn)生對風電場建設(shè)投資影響。通過WindSim軟件的模擬計算，可以得到場區(qū)初步的風能資源分布情況，然后根據(jù)分析結(jié)果選擇合適位置的測風塔點，更為準確地反映擬建風電場的風能資源狀況。

（作者單位：中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司）