劉志遠(yuǎn) 李楊揚(yáng) 何一

摘要：文章以某超高海拔風(fēng)電場(chǎng)示范工程測(cè)風(fēng)塔和測(cè)光塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出利用輻射量與風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行超高海拔地區(qū)負(fù)切變現(xiàn)象主要成因的探究方法，發(fā)現(xiàn)該類地區(qū)負(fù)切變現(xiàn)象主要成因?yàn)榇髿夥€(wěn)定性，而不是地形因素。大氣穩(wěn)定性對(duì)負(fù)切變的影響主要是通過(guò)太陽(yáng)輻射量影響氣流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)切變大小基本與與輻射量高低成反比關(guān)系，為超高海拔地區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)以及風(fēng)電機(jī)組技術(shù)研發(fā)等都提供了重要借鑒。

關(guān)鍵詞：超高海拔;負(fù)切變;主要成因;大氣穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：P942文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0056-07

根據(jù)國(guó)際上通行的海拔劃分標(biāo)準(zhǔn)：1500～3500m為高海拔;3500～5500m為超高海拔;5500m以上為極高海拔，我國(guó)超高海拔地區(qū)主要分布在西藏的絕大部分地區(qū)、四川的涼山及甘孜地區(qū)、云南的滇西及滇西北地區(qū)等，其中西藏絕大部分地區(qū)海拔高度均在4000m以上。相比一般高海拔地區(qū)，超高海拔地區(qū)氣象條件更加錯(cuò)綜復(fù)雜，一般具有“超低溫、大風(fēng)速、低密度、負(fù)切變、強(qiáng)輻射、頻雷暴”等顯著特點(diǎn)，都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電開(kāi)發(fā)前期資源觀測(cè)、評(píng)估技術(shù)難度加大，工作流程更加復(fù)雜。復(fù)雜的氣候氣象條件也對(duì)風(fēng)電機(jī)組的適用性也提出了更高要求，主要面臨風(fēng)電機(jī)組失速、電氣設(shè)備絕緣、散熱、降容以及其他特殊要求等。目前，國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的最高海拔風(fēng)電場(chǎng)為國(guó)電龍?jiān)茨乔吆０卧囼?yàn)風(fēng)電場(chǎng)，平均海拔高度約4600m，裝機(jī)規(guī)模0.75萬(wàn)kW;國(guó)內(nèi)外5000m以上海拔高度的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)尚處于空白。為了進(jìn)一步研究海拔高度超過(guò)5000m的超高海拔地區(qū)風(fēng)能資源特性，為超高海拔風(fēng)電機(jī)組技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)，進(jìn)而為該類地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)提供研究成果，本文依托《超高海拔風(fēng)電開(kāi)發(fā)技術(shù)研究及應(yīng)用》科技項(xiàng)目示范工程，對(duì)超高海拔地區(qū)典型風(fēng)況特征之一——負(fù)切變，進(jìn)行主要成因初步探究。

1 工程概況

該風(fēng)電場(chǎng)示范工程位于西藏地區(qū)，場(chǎng)址平均海拔高度介于5000～5070m之間，屬于典型的超高海拔風(fēng)電場(chǎng)。場(chǎng)址地勢(shì)整體較為平坦，坡度不大，局部有凸起部分，地表覆蓋物以高原荒地為主，無(wú)明顯障礙物。場(chǎng)址范圍內(nèi)已建立一座編號(hào)為1#的測(cè)風(fēng)塔，最大測(cè)風(fēng)高度100m;場(chǎng)址范圍外已建立一座編號(hào)為2#的測(cè)光塔，測(cè)光高度10m，二者直線距離約5km。目前兩座測(cè)風(fēng)（光）塔數(shù)據(jù)收集均已滿一年，數(shù)據(jù)質(zhì)量整體較好，有效數(shù)據(jù)完整率均達(dá)90%以上。場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)盛行主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW方向。

通過(guò)對(duì)1#測(cè)風(fēng)塔各通道實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，該測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速隨著高度的增加整體上呈不斷減少的趨勢(shì)，即產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象，并且近地面通道的風(fēng)速相對(duì)較大，最高層通道的風(fēng)速最小，10m高度實(shí)測(cè)平均風(fēng)速約為9.80m/s，100m高度實(shí)測(cè)平均風(fēng)速約為9.58m/s。

2 成因分析

風(fēng)切變是指風(fēng)速在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的變化，受地面摩擦力的影響，一般呈對(duì)數(shù)分布，其計(jì)算公式如下。

α=（lgV₂-lgV₁）/（lgH₂-lgH₂）（1）

式中α為風(fēng)切變;V₁為H₁高度處風(fēng)速，m/s;V₂為H₂高度處風(fēng)速，m/s。

風(fēng)切變也可以認(rèn)為是風(fēng)廓線的另一種表達(dá)方式，是對(duì)風(fēng)廓線的工程應(yīng)用。風(fēng)速垂直切變不僅影響測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)以上高度風(fēng)速的推導(dǎo)，同時(shí)影響風(fēng)電機(jī)組塔架高度的選擇，并且對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷和發(fā)電效率都有一定影響。通常情況下，負(fù)切變現(xiàn)象多發(fā)生在復(fù)雜山地地形的風(fēng)電場(chǎng)，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為主要受兩方面因素影響，即地形地貌和大氣穩(wěn)定性，因此本文也分別從以上兩方面進(jìn)行超高海拔示范工程測(cè)風(fēng)塔負(fù)切變現(xiàn)象主要成因分析。

2.1地形地貌

在復(fù)雜的山區(qū)地形中，氣流通過(guò)陡峭山體時(shí)被壓縮并加速，風(fēng)速分布不再嚴(yán)格遵守對(duì)數(shù)分布。這種低層加速效應(yīng)只發(fā)生在山脊以上有限的高度區(qū)間內(nèi)，近地面某層高度風(fēng)速因?yàn)榈匦卧虮患铀?，而更高高度則因不在地形加速效應(yīng)層內(nèi)而未被加速，導(dǎo)致高低層風(fēng)速差異變小，風(fēng)切變指數(shù)變小。當(dāng)?shù)匦渭铀傩?yīng)較大時(shí)，加速后的低層風(fēng)速甚至比未經(jīng)加速的更高層的風(fēng)速大，即產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象。另外，樹(shù)林、灌木等植被也會(huì)引起低層切變很大、高層負(fù)切變現(xiàn)象等。

通過(guò)對(duì)本工程場(chǎng)址地形地貌分析，場(chǎng)址區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平坦，山脊坡度較緩，沿山脊線高差相差60m左右。分別選取l#測(cè)風(fēng)塔處沿主導(dǎo)風(fēng)向斷面1和垂直山脊走向斷面2進(jìn)行地形分析發(fā)現(xiàn)：（1）測(cè)風(fēng)塔所在區(qū)域隆起地形地勢(shì)非常平緩，頂部地形坡度小于5°，迎風(fēng)和背風(fēng)坡度5°～15°，屬于斜緩坡，地形導(dǎo)致的加速效應(yīng)不明顯。（2）測(cè)風(fēng)塔在50m/10m、80m/70m兩個(gè)高度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)正切變，其余高度區(qū)間均為負(fù)切變，實(shí)際情況與低層加速效應(yīng)不相符合。（3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)地表覆蓋物均為荒草或裸露地面，無(wú)灌木或高樹(shù)等，即地表粗糙度也不會(huì)對(duì)風(fēng)廟;線造成較大影響。綜上所述，本文基本認(rèn)為地形地貌會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生一定的影響，但并不是本工程中測(cè)風(fēng)塔負(fù)切變現(xiàn)象產(chǎn)生的主要成因。

2.2大氣熱穩(wěn)定性

大氣熱穩(wěn)定性是指空氣受到垂直方向擾動(dòng)后，大氣層結(jié)（溫度和濕度的垂直分布）使該空氣團(tuán)具有返回或遠(yuǎn)離原來(lái)平衡位置的趨勢(shì)和程度，直接影響近地層大氣的垂直對(duì)流，溫度越高垂直對(duì)流越強(qiáng)，大氣越不穩(wěn)定。在復(fù)雜地形山區(qū)中，氣流變化復(fù)雜，加之海拔較高，晝夜溫差較大，大氣穩(wěn)定性較差，負(fù)切變現(xiàn)象比較常見(jiàn)。一般來(lái)說(shuō)，大氣穩(wěn)定性越差，風(fēng)切變指數(shù)越小。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，按照穩(wěn)定度從大到小，通?？梢苑譃?類：穩(wěn)定狀態(tài)：垂直移動(dòng)后逐漸減速，并有返回原來(lái)高度的趨勢(shì);中性狀態(tài)：將它推到某一高度后，既不加速也不減速而停下來(lái);不穩(wěn)定狀態(tài)：垂直移動(dòng)后，加速向上或向下運(yùn)動(dòng)。

大氣熱穩(wěn)定性一般根據(jù)理查森數(shù)R_i判定，該參數(shù)描述湍流運(yùn)動(dòng)因抵抗重力所做的功與雷諾應(yīng)力使平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)動(dòng)能之比值的大小，與溫度梯度有關(guān)，其計(jì)算公式如下。

式中θ_v為虛位溫，θ_v≈≈（1+0.6lq）;θ為位溫，q為比濕。位溫的梯度可以通過(guò)從溫度的梯度中消去干空氣的絕熱垂直遞減率得到：

式中T_d=0.0098K/m。

由于l#測(cè)風(fēng)塔只進(jìn)行了一個(gè)高度層的溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)法直接計(jì)算得到R_i值。為了進(jìn)一步研究大氣熱穩(wěn)定性對(duì)負(fù)切變的影響，同時(shí)考慮到氣流運(yùn)動(dòng)跟太陽(yáng)輻射有直接關(guān)系，文章提出從太陽(yáng)輻射的角度定性分析、間接驗(yàn)證。2#測(cè)光塔距離1#測(cè)風(fēng)塔不遠(yuǎn)，其實(shí)測(cè)輻射數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)風(fēng)塔處基本具有較好的代表性，通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速與測(cè)光塔輻射量分別進(jìn)行日內(nèi)、年內(nèi)變化規(guī)律對(duì)比，分析其之間的相關(guān)關(guān)系。

2.2.1日內(nèi)變化

通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)塔和測(cè)光塔數(shù)據(jù)日內(nèi)變化分析，不同季節(jié)輻射量主要集中在上午6～8時(shí)至下午19～20時(shí)之間，在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)測(cè)風(fēng)塔各高度層出現(xiàn)明顯負(fù)切變;其它時(shí)段不同高度層風(fēng)速變化幅度不一致，風(fēng)切變有所不同。其中，最為明顯的10m高度層風(fēng)速變化：在0～9時(shí)區(qū)間內(nèi)，太陽(yáng)尚未完全生起，場(chǎng)址區(qū)域輻射量較低，風(fēng)速最小，符合風(fēng)速隨高度增加的正常分布規(guī)律;9～20時(shí)區(qū)間內(nèi)，太陽(yáng)完全升起，場(chǎng)址區(qū)域輻射量不斷增加，風(fēng)速大幅增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它高度層風(fēng)速;20～23時(shí)區(qū)間內(nèi)，太陽(yáng)逐漸落下，場(chǎng)址區(qū)域輻射量減少，風(fēng)速逐漸減小，直至低于其它高度層。其它高度層風(fēng)速在不同時(shí)段也具有類似變化規(guī)律。因此，基本可以判斷輻射量的確通過(guò)影響氣流運(yùn)動(dòng)并對(duì)風(fēng)切變產(chǎn)生較大影響。

2.2.2年內(nèi)變化

通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)塔和測(cè)光塔數(shù)據(jù)年內(nèi)變化分析，風(fēng)速與輻射量年內(nèi)的整體變化趨勢(shì)有一定的相似性，風(fēng)速在1～4月份呈先增大再減少的趨勢(shì)，5～12月份呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。大風(fēng)月主要集中在10月～次年2月，小風(fēng)月主要集中在3～9月;輻射量在1～5月份呈先增大再減少的趨勢(shì)，6～12月份呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步研究輻射量對(duì)風(fēng)切變的影響，考慮到不同季節(jié)太陽(yáng)輻射量也有所不同，分別對(duì)2#測(cè)光塔輻射量和1#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變進(jìn)行不同季節(jié)變化分析。由圖表可知，輻射量夏季最高為1655.5MJ/m²，依次為春季、秋季，冬季最低為1441.7MJ/m²;綜合風(fēng)切變夏季最小為-0.032，依次為春季、秋季，冬季最大為0.005，即風(fēng)切變大小與輻射量高低成反比關(guān)系，且基本以50m高度為界點(diǎn)。夏季輻射量最高，對(duì)風(fēng)切變影響也越大，各高度層風(fēng)切變明顯低于其它季節(jié)，負(fù)切變現(xiàn)象更加明顯。

2.2.3綜合分析

綜合以上兩方面分析，該地區(qū)由于晝夜溫差較大，白天太陽(yáng)輻射充分到達(dá)地面后，近地層氣流因受熱而變得極不穩(wěn)定，亂流逐漸發(fā)展，上下層空氣間的動(dòng)量交換增強(qiáng)，大氣穩(wěn)定性極不穩(wěn)定，結(jié)果使下層空氣的運(yùn)動(dòng)加速，而上層空氣的運(yùn)動(dòng)減速。根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（CB/T18710-2002）推薦的空氣密度公式計(jì)算得到1#測(cè)風(fēng)塔10m高度處空氣密度約為0.694kg/m³，推算得到50～100m高度處空氣密度基本介于0.691～0.688kg/m³。由于海拔高度較高，空氣稀薄，相比一般地區(qū)空氣密度也非常低，特別是隨著高度的增加，空氣密度越來(lái)越低，氣流受熱加速相對(duì)滯后或不明顯。另外，由于地表覆蓋物如茂密林地等可有效吸收多余太陽(yáng)的熱量，減緩近地層亂流的產(chǎn)生，而本工程項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)地表覆蓋物基本均為低矮荒草地或裸露地面，光禿的地表吸熱能力非常差，熱量大部分用于近地層空氣的加熱，當(dāng)下層空氣不斷加速甚至超高上層空氣運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，即產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在輻射量較高的夏季尤為明顯，呈季節(jié)性變化。

式中：p為空氣密度，kg/m³;P為實(shí)測(cè)氣壓，Pa;T為年平均開(kāi)氏溫標(biāo)絕對(duì)溫度（t℃+273）;R為氣體常數(shù)（287j/kg·k）;ρ_h、ρ_z分別為為高度h、z處空氣密度。

3結(jié)論與建議

文章依托實(shí)際工程測(cè)風(fēng)塔和測(cè)光塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用太陽(yáng)輻射量與風(fēng)速之間的相對(duì)變化關(guān)系來(lái)對(duì)超高海拔地區(qū)負(fù)切變現(xiàn)象主要成因進(jìn)行初步探究，主要得到以下結(jié)論。

1）超高海拔地區(qū)極易出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象，并且往往近地層高度風(fēng)速最大，隨著高度的增加風(fēng)速反而減小。通常風(fēng)速垂直切變具有如下特征：低層風(fēng)速切變大于高層風(fēng)速切變;夜間風(fēng)速切變大于白天風(fēng)速切變;冬季風(fēng)速切變大于夏季風(fēng)速切變。

2）超高海拔地區(qū)負(fù)切變現(xiàn)象主要成因應(yīng)來(lái)自于大氣穩(wěn)定性，而不是地形因素，雖然地形的確會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生一定的影響。

3）大氣穩(wěn)定性對(duì)負(fù)切變的影響主要是通過(guò)太陽(yáng)輻射量影響氣流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，太陽(yáng)輻射到達(dá)地面后，下層空氣受熱而變得極不穩(wěn)定，亂流逐漸發(fā)展，由于隨著高度的增加空氣密度越來(lái)越低，上層氣流受熱加速相對(duì)滯后或不明顯，最終導(dǎo)致下層空氣運(yùn)動(dòng)速度高于上層空氣，即產(chǎn)生負(fù)切變。

4）風(fēng)切變大小基本與與輻射量高低成反比關(guān)系，即白天輻射量高，風(fēng)切變小;夜晚輻射量低，風(fēng)切變大。夏天輻射量高，風(fēng)切變小;冬天輻射量低，風(fēng)切變大，呈季節(jié)性變化。白天、夏季負(fù)切變現(xiàn)象更加明顯，與測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)切變的變化趨勢(shì)基本一致。

5）地表覆蓋物是產(chǎn)生負(fù)切變的一個(gè)重要因素。當(dāng)?shù)乇頌榈桶牟莸鼗蚵懵兜孛鏁r(shí)，光禿的地表吸熱能力差，熱量大部分用于近地層空氣的加熱，導(dǎo)致地層亂流加劇，助推負(fù)切變產(chǎn)生。超高海拔風(fēng)電場(chǎng)工程在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量保證擬布機(jī)位點(diǎn)處地表覆蓋物（粗糙度）與測(cè)風(fēng)塔處基本一致，確保評(píng)估結(jié)果更加接近實(shí)際運(yùn)行值。

6）超高海拔地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)不宜選用高輪轂風(fēng)電機(jī)組，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低輪轂高度，以提高發(fā)電效益。

7）結(jié)論主要基于具體工程數(shù)據(jù)得到的規(guī)律，下一階段應(yīng)進(jìn)行更大范圍內(nèi)的一般規(guī)律的深入研究和驗(yàn)證。