高 勇

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河南地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的空間變化分析

高 勇

（特變電工新疆新能源股份有限公司，陜西 西安 710119）

采用河南地區(qū)16座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)對(duì)河南地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的空間變化進(jìn)行分析，并將河南地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的空間變化應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中。

測(cè)風(fēng)塔；風(fēng)切變；風(fēng)電項(xiàng)目；風(fēng)電場(chǎng)

受低空探測(cè)條件的制約，目前，關(guān)于我國部分省份全范圍內(nèi)不同地形條件風(fēng)切變指數(shù)時(shí)空變化還鮮有研究。2017年，河南省并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)達(dá)到2.6×106kW，預(yù)計(jì)2020年可再生能源發(fā)電裝機(jī)所占比例提高到15%以上。2017年，河南省研究出臺(tái)規(guī)范風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)管理意見，加快山地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，穩(wěn)妥推進(jìn)低風(fēng)速平原風(fēng)電示范。河南省的風(fēng)能資源開發(fā)推動(dòng)了風(fēng)能資源觀測(cè)。通過近兩年對(duì)河南地區(qū)的資源開發(fā)，收集到河南地區(qū)近16座測(cè)風(fēng)塔。

本文整理和分析河南地區(qū)近16座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，對(duì)河南地區(qū)不同地形條件風(fēng)切變指數(shù)空間變化進(jìn)行了研究，著重分析我國不同地形條件風(fēng)切變指數(shù)的空間分布情況，并對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的應(yīng)用進(jìn)行淺析。

1 資料來源

測(cè)風(fēng)塔具體位置和海拔高度如表1所示。

表1 測(cè)風(fēng)塔具體位置和海拔高度

本文所采用數(shù)據(jù)資料為16座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)。測(cè)風(fēng)儀器型號(hào)為NRG和Secondwind，均經(jīng)過測(cè)風(fēng)儀器標(biāo)定，測(cè)風(fēng)塔高度為80～150 m，近15個(gè)測(cè)風(fēng)塔高度為80～150 m，觀測(cè)高度為10 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、140 m、150 m，觀測(cè)項(xiàng)目為最大、最小、平均風(fēng)速，最大、最小、平均風(fēng)向。大多數(shù)測(cè)風(fēng)塔在距地面10 m處安裝氣溫及氣壓表等。本文主要關(guān)注風(fēng)速與高度變化關(guān)系。

2 研究方法

根據(jù)氣象學(xué)對(duì)大氣邊界層的定義，本文中所涉及的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)高度均在近地面層，此層中湍流應(yīng)力超過分子粘性力，氣壓梯度力和科氏力達(dá)到平衡，大氣結(jié)構(gòu)依賴垂直方向的湍流輸送，即動(dòng)量、熱量和水汽的垂直輸送。

2.1 風(fēng)切變指數(shù)的影響因素

風(fēng)切變指數(shù)受大氣穩(wěn)定性的影響嚴(yán)重，在中性（neutral）、穩(wěn)定（stable）與不穩(wěn)定（unstable）等不同大氣條件下，風(fēng)廓線的變化很大。此時(shí)，需要考慮大氣穩(wěn)定性的影響，應(yīng)對(duì)數(shù)律公式進(jìn)行大氣穩(wěn)定性的修正，修正后的表達(dá)式為：

式（1）中：為與大氣穩(wěn)定性相關(guān)的函數(shù)，不穩(wěn)定條件時(shí)為正值，穩(wěn)定條件時(shí)為負(fù)值，中性條件時(shí)為0.

大氣穩(wěn)定性可以采用Richardson數(shù)來描述，其表達(dá)式為：

式（2）中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；為計(jì)算層的平均溫度，K；為在高度處的溫度；為在高度的風(fēng)速。

一般至少需要2個(gè)不同高度的溫度值和風(fēng)速來計(jì)算溫差和風(fēng)速差。大氣穩(wěn)定性一般可以按Richardson數(shù)分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中性穩(wěn)定、不穩(wěn)定、非常不穩(wěn)定等5類。

風(fēng)切變指數(shù)受地面粗糙度以及地形的影響，不同地區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)是不同的，受大氣穩(wěn)定性的影響，即使同一地區(qū)在不同時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)也是不同的。河南地區(qū)STRM地形圖如圖1所示。

圖1 河南地區(qū)STRM地形圖

2.2 風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算

風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算有2種計(jì)算過程，具體如下：①利用不同時(shí)間段的風(fēng)速計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)，比如利用年平均風(fēng)速、月風(fēng)速、時(shí)點(diǎn)風(fēng)速可以計(jì)算出風(fēng)切變指數(shù)年均值、月變化、日變化值；②利用風(fēng)廓線擬合方法可推算出系列風(fēng)速和對(duì)應(yīng)髙度的風(fēng)切變指數(shù)。

為了更全面地掌握全風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)規(guī)律，本文計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)采用全速段風(fēng)切變指數(shù)，利用不同時(shí)間段的風(fēng)速計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)。

2.3 Arcgis繪圖

風(fēng)切變指數(shù)的空間變化特征主要指測(cè)風(fēng)塔全年各高度風(fēng)切變指數(shù)的年平均值空間分布，本文選擇50 m、80 m、100 m、120 m的風(fēng)切變指數(shù)年平均值進(jìn)行Arcgis繪圖，得到50～80 m、80～100 m、100～120 m的風(fēng)切變指數(shù)空間分布圖，本文Arcgis底圖來自1∶250 000國家地圖數(shù)據(jù)、國家基礎(chǔ)地理信息中心，采用反距離加權(quán)法（Inverse Distance Weighted）。反距離加權(quán)法是一種常用的空間插值方法，即兩物體相似性隨兩者間距增大而減少，此種方法簡(jiǎn)單易行、直觀、效率高，在已知點(diǎn)分布均勻情況下插值效果好，但缺點(diǎn)是易受極值的影響。

3 河南地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)空間變化分析

本文根據(jù)對(duì)16個(gè)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并選取各高層間樣本數(shù)量大于70的高度層數(shù)據(jù)樣本，這些數(shù)據(jù)樣本分別為50 m、80 m、100 m、120 m風(fēng)速，通過Arcgis繪制這些高度組合的風(fēng)切變指數(shù)年均值空間分布圖。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果，河南風(fēng)切指數(shù)的變化范圍為0～0.529，根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)范圍，結(jié)合國際對(duì)于風(fēng)切變指數(shù)大小的定義，即1/7定義為適中，把低空風(fēng)切變指數(shù)等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，具體如表2所示。

根據(jù)本文定義的風(fēng)切變指數(shù)等級(jí)繪制出中國離地面50～80 m、80～100 m、100～120 m的風(fēng)切變指數(shù)分布圖，因本文中測(cè)風(fēng)塔均距離大中城市較遠(yuǎn)，不能作為大中城市區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)分布圖參考，具體如圖2所示。

表2 風(fēng)切變指數(shù)等級(jí)表

風(fēng)切變指數(shù)年均值空間分布圖

由圖2可知，1829#為東部山地測(cè)風(fēng)塔，8211#和8434#為東部丘陵測(cè)風(fēng)塔，其余測(cè)風(fēng)塔均為河南平原地區(qū)測(cè)風(fēng)塔。從風(fēng)切變指數(shù)分布結(jié)合河南地形，河南地區(qū)山地以及丘陵風(fēng)切變指數(shù)較小，風(fēng)切變指數(shù)分布在0～0.1和0.1～0.2之間，中部平原以及東部平原地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)較大，分切變指數(shù)分布在0.2以上。

4 風(fēng)切變指數(shù)空間變化的應(yīng)用淺析

研究結(jié)果表明，河南地區(qū)風(fēng)切指數(shù)年均值的變化范圍為0～0.529，分析樣本測(cè)風(fēng)塔50～80 m、80～100 m、100～120 m的風(fēng)切變指數(shù)，均以0.3以上所占比例最多，為32%～35%；0.2～0.3所占比例次之，為28%～32%；0.1～0.2所占比例居中，為25%～28%；小于0.1所占比例較少，為5%～15%.

風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益的影響因素有風(fēng)能資源、項(xiàng)目總投資、電場(chǎng)運(yùn)行成本、電價(jià)，通過提高風(fēng)能源的利用效率，降低項(xiàng)目的投資成本以及整體的運(yùn)行成本，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，風(fēng)速隨著高度的增加而增大，發(fā)電量也會(huì)在一定程度上得到提高，但輪轂高度越高，風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電能也越多，但工程整體的投資也會(huì)增加，且施工難度會(huì)增大。因此，在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中，轂輪的高度應(yīng)該依據(jù)實(shí)際情況選擇，保證其合理性，才能達(dá)到資源利用效果及風(fēng)電場(chǎng)效益最大化。在投資相同的情況下，電量增加越多，其財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率越好，即風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)切變?cè)酱?，增加風(fēng)電機(jī)組的輪轂高度所獲得的效益越大。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范中正常風(fēng)廓線模型（NWP）和極端風(fēng)風(fēng)切變指數(shù)取值為0.2，從統(tǒng)計(jì)情況看，大于0.2的風(fēng)切變指數(shù)所占比例為60%～67%，還有很大比例地區(qū)不適合安裝按標(biāo)準(zhǔn)配置生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對(duì)這些地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)加以關(guān)注。由于各高度層的風(fēng)切變指數(shù)較大，葉片的震動(dòng)幅度較大，需要葉片能具備較大疲勞荷載，應(yīng)充分考慮風(fēng)切變指數(shù)大于常規(guī)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)帶來的荷載增大問題，在這些地區(qū)建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，不宜采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，比如己經(jīng)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)荷載驗(yàn)算和檢查，并開展荷載優(yōu)化和調(diào)整工作，以延長(zhǎng)機(jī)組壽命，保證機(jī)組安全。

此外，在荷載驗(yàn)算時(shí)，輸入的風(fēng)切變指數(shù)會(huì)對(duì)荷載驗(yàn)算產(chǎn)生較大影響，對(duì)于地形差異較大、地表植被季節(jié)變化、沿海和沿湖區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)加密測(cè)風(fēng)塔，以獲取更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)荷載進(jìn)行多次校驗(yàn)，以免因荷載計(jì)算結(jié)果不能反映風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際荷載而產(chǎn)生風(fēng)電機(jī)組選型失誤或引起安全事故。

5 總結(jié)

河南地區(qū)山地以及丘陵風(fēng)切變指數(shù)較小，風(fēng)切變指數(shù)分布在0～0.1以及0.1～0.2之間，中部平原以及東部平原地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)較大，分切變指數(shù)分布在0.2以上。南地區(qū)風(fēng)切指數(shù)年均值的變化范圍為0～0.529，分析樣本測(cè)風(fēng)塔 50～80 m、80～100 m、100～120 m風(fēng)切變指數(shù)，均以0.3以上所占比例最多，為32%～35%；0.2～0.3所占比例次之，為28%～32%；0.1～0.2所占比例居中，為25%～28%；小于0.1所占比例較少，為5%～15%.

河南平原地區(qū)風(fēng)切變較大，一般在0.2以上，建議增加風(fēng)電機(jī)組的輪轂高度以獲得更多的收益，同時(shí)需要注意風(fēng)切變較大，造成的風(fēng)機(jī)荷載增大所帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.070

2095－6835（2018）22－0070－03

〔編輯：張思楠〕