文 | 劉沙，井苗苗，全文賢

風(fēng)能作為可再生能源，儲(chǔ)量大、分布廣，其在新能源中所占比重日益增加。在風(fēng)電場(chǎng)中，由于風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)以及葉片的阻擋作用，風(fēng)電機(jī)組獲取風(fēng)能的同時(shí)會(huì)在其下游形成風(fēng)速下降的尾流區(qū)。尾流區(qū)產(chǎn)生的湍流、渦流等現(xiàn)象，會(huì)影響下游風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量以及降低風(fēng)電機(jī)組的使用壽命，若控制不當(dāng)，不僅降低風(fēng)能資源利用率，也會(huì)使得風(fēng)電場(chǎng)的整體效益降低。

由于湍流、尾流等因素的影響，不同的地形條件、不同的風(fēng)能資源及氣候條件、不同的風(fēng)電場(chǎng)布置方案，風(fēng)電機(jī)組尾流影響的距離和特性均存在不同程度的差異。目前常用于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的計(jì)算軟件主要有WAsP、WindSim、WT。對(duì)于相對(duì)平緩地形，WAsP軟件應(yīng)用較多，其采用的計(jì)算模型假設(shè)下游尾流呈線性膨脹，會(huì)低估尾流衰減值，在地形越平坦、風(fēng)電機(jī)組布置越密集的條件下計(jì)算值與實(shí)際值的偏差越明顯?，F(xiàn)有的理論模型尚無(wú)法精確計(jì)算平緩地形條件下風(fēng)電場(chǎng)的尾流衰減，同時(shí)在多排風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生疊加尾流的計(jì)算中誤差較大，因此實(shí)際觀測(cè)不同條件下的風(fēng)電機(jī)組尾流是有效了解風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分布特性的手段。

相干多普勒激光雷達(dá)通過檢測(cè)氣溶膠粒子的后向散射信號(hào)和系統(tǒng)本振光的多普勒頻移來(lái)反演徑向風(fēng)速，具有高時(shí)空分辨率、高測(cè)量精度的特點(diǎn)，是目前晴空風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量最有效的手段之一，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的工程前期測(cè)風(fēng)以及風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估。利用WindPrint S4000相干激光雷達(dá)設(shè)備對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中不同位置的風(fēng)電機(jī)組尾流影響范圍進(jìn)行觀測(cè)，通過實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)分析風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，對(duì)于優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組布局、科學(xué)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)微觀選址、提高土地利用率、提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率并延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組使用壽命具有重要意義。

測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)及設(shè)備概況

圖1 太陽(yáng)山風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位布置及PPI模式掃描示意圖

表1 風(fēng)電機(jī)組及雷達(dá)所處經(jīng)緯度與海拔高度

本文選取吳忠太陽(yáng)山風(fēng)電場(chǎng)作為分析風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)風(fēng)電場(chǎng)影響的測(cè)試地點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位布局圖如圖1（其中三角形為雷達(dá)安放位置）所示。雷達(dá)掃描范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組所處的經(jīng)緯度與海拔高度信息見表1，太陽(yáng)山風(fēng)電場(chǎng)地形圖如圖2所示，該風(fēng)電場(chǎng)的平均海拔高度為1336 m，主要地形地貌單元為低丘陵，地形有起伏但較開闊，坡度大多較為平緩。

本次測(cè)試所采用的是WindPrint S4000相干激光雷達(dá)設(shè)備，該型號(hào)激光雷達(dá)經(jīng)過大量的第三方認(rèn)證（蘇格蘭峰能公司及國(guó)內(nèi)鑒衡認(rèn)證中心）。在多方校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，激光雷達(dá)所測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向與測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)性達(dá)到99%以上，并且數(shù)據(jù)獲取率較高。

測(cè)試方案

圖1中三角形所在位置為WindPrint S4000相干激光雷達(dá)在風(fēng)電場(chǎng)中的安裝位置，其四周均有風(fēng)電機(jī)組分布，在雷達(dá)的測(cè)量周期內(nèi)分別采用DBS-5風(fēng)廓線測(cè)量模式和覆蓋180 PPI模式進(jìn)行掃描，分別用于檢驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)有效性和探測(cè)尾流變化規(guī)律。

一、采用DBS-5風(fēng)廓線測(cè)量模式進(jìn)行掃描

2017年8月12日至2017年8月22日，激光雷達(dá)采用DBS-5風(fēng)廓線測(cè)量模式進(jìn)行掃描（圖3），68m和90m高度處的風(fēng)向玫瑰圖如圖4所示。從圖中可以看出，68m和90m高度處的水平風(fēng)向主要集中在135°～200°和275°～315°，當(dāng)?shù)販y(cè)風(fēng)塔所測(cè)得的70m高度年平均風(fēng)向主要集中在135°～180°和270°～315°，激光雷達(dá)觀測(cè)周期內(nèi)的風(fēng)向分布與測(cè)風(fēng)塔實(shí)際全年主風(fēng)向基本一致，雷達(dá)的觀測(cè)周期內(nèi)主風(fēng)方向上的風(fēng)電機(jī)組尾流分析對(duì)于該風(fēng)電場(chǎng)具有代表性。且在觀測(cè)期間，雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率為100%，根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》要求對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)100%。

二、采用覆蓋180 PPI模式進(jìn)行掃描

2017年8月12日至2017年8月22日，激光雷達(dá)采用 PPI模式進(jìn)行掃描（圖1黃色區(qū)域），掃描范圍為風(fēng)電場(chǎng)7#、8#、9#、10#、12#風(fēng)電機(jī)組及周邊區(qū)域，掃描得到該區(qū)域平面內(nèi)的徑向風(fēng)速，根據(jù)實(shí)際風(fēng)向進(jìn)行插值計(jì)算得出風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速變化及尾流損失數(shù)據(jù)。根據(jù)太陽(yáng)山風(fēng)電場(chǎng)主風(fēng)向，PPI模式掃描的方位角設(shè)置為45°～225°。

圖2 太陽(yáng)山風(fēng)電場(chǎng)地形圖

圖3 風(fēng)廓線測(cè)量模式掃描示意圖

圖4 68m（藍(lán)線）和90m（紅線）高度處的風(fēng)向玫瑰圖

數(shù)據(jù)結(jié)果分析

測(cè)量期間，激光雷達(dá)多次捕捉到風(fēng)電機(jī)組尾流，本文選取其中尾流最明顯的時(shí)刻（2017年8月16日0時(shí)7分）進(jìn)行一次個(gè)例分析，該時(shí)刻風(fēng)向（見圖5）處于風(fēng)電場(chǎng)全年主風(fēng)方向區(qū)間，對(duì)該時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組尾流進(jìn)行分析具有較好的代表性。

如圖5所示，紅色標(biāo)志為風(fēng)電機(jī)組位置，風(fēng)速負(fù)向?yàn)轱L(fēng)吹向激光雷達(dá)徑向方向，正向?yàn)轱L(fēng)遠(yuǎn)離激光雷達(dá)徑向方向。從圖中可見多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組后部出現(xiàn)尾流現(xiàn)象，其中，9#風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)淹沒在7#風(fēng)電機(jī)組的尾流中，10#風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)淹沒在8#風(fēng)電機(jī)組的尾流中。

由于7#、8#和44#風(fēng)電機(jī)組的尾流較為明顯，并且這三臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所處的地理位置具有較好的代表性（7#風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)向地形較為平坦，8#及44#風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)向地形坡度相對(duì)較大），因此選擇這三臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行計(jì)算，探索不同地形條件下的風(fēng)電機(jī)組尾流影響規(guī)律及尾流疊加產(chǎn)生的影響。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組尾流造成的下風(fēng)向處風(fēng)速降低可以描述為風(fēng)速損失率，其計(jì)算公式如下：

式中，δdeficit表示風(fēng)速損失率；Vmax表示上風(fēng)處自由風(fēng)的水平速度；VnD表示下風(fēng)處尾流區(qū)內(nèi)距離nD處的水平風(fēng)速，其中D表示風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑，為115米。

一、7#風(fēng)電機(jī)組尾流分析

圖6為7#風(fēng)電機(jī)組在163o風(fēng)向上隨距離增加的風(fēng)速損失率變化。從圖中可以看出，在風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處的第0－2個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離內(nèi)風(fēng)速損失率隨距離逐漸增加，并在第2－3個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離處達(dá)到一個(gè)峰值，約為50%，此后隨著距離的增加風(fēng)速損失率總體呈減小趨勢(shì)。但在第5個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離后，風(fēng)速損失率隨距離又逐漸增加，第6個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離處受9#風(fēng)電機(jī)組影響，風(fēng)速損失率達(dá)到一個(gè)峰值，約為80%。此后風(fēng)速損失率呈階梯狀逐漸降低的變化趨勢(shì)。

圖5 PPI模式掃描的徑向風(fēng)速圖（紅色標(biāo)志為風(fēng)電機(jī)組位置）

圖6 7#風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速損失率

圖7 8#風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速損失率

圖8 44#風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速損失率

二、8#風(fēng)電機(jī)組尾流分析

圖7為8#風(fēng)電機(jī)組隨距離增加的風(fēng)速損失率變化。從圖中可以看出，在風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處的第0－1個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離內(nèi)風(fēng)速損失率隨距離逐漸增加，并在第1－2個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離處達(dá)到一個(gè)峰值，約為35%，此后隨著距離的增加風(fēng)速損失率逐漸減小。在第3個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離后，風(fēng)速損失率呈現(xiàn)出增減交替的波動(dòng)狀，其原因是8#風(fēng)電機(jī)組所處位置的海拔高度較高，為1444米，沿尾流方向海拔高度降低了約40米，尾流中水平風(fēng)在海拔高度不斷降低的過程中形成湍流，風(fēng)速受到地形的影響在海拔最低處即7個(gè)風(fēng)輪直徑處損失再次增大。在第9個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑處受10#風(fēng)電機(jī)組影響，風(fēng)速損失率再次出現(xiàn)峰值。

三、44#風(fēng)電機(jī)組尾流分析

圖8為44#風(fēng)電機(jī)組隨距離增加的風(fēng)速損失率變化。從圖中可以看出，在風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處的第0－1個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離內(nèi)，風(fēng)速損失率隨距離快速增加了約20%，在第1個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離后由于地形影響風(fēng)速損失率緩慢增加，并在第7個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑距離處達(dá)到一個(gè)峰值，約為55%，此后隨著距離的增加風(fēng)速損失率逐漸減小。

四、三臺(tái)風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)比分析

7#與9#風(fēng)電機(jī)組的距離為695m（約6D），8#與10#風(fēng)電機(jī)組的距離為1027m（約9D），通過風(fēng)速損失率數(shù)據(jù)結(jié)果可以看到，當(dāng)尾流遇到下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組時(shí)會(huì)加劇風(fēng)速的損失，最大可以達(dá)到80%。

經(jīng)計(jì)算，44#風(fēng)電機(jī)組上風(fēng)處的水平風(fēng)速為12 m/s，而7#和8#風(fēng)電機(jī)組上風(fēng)處的水平風(fēng)速為9 m/s，風(fēng)速較大導(dǎo)致44#號(hào)風(fēng)電機(jī)組與7#和8#風(fēng)電機(jī)組相比，風(fēng)速損失率較小，而達(dá)到峰值的距離較遠(yuǎn)。

7#風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)向地形較為平坦（地形起伏在10m以內(nèi)），8#及44#風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)向地形坡度相對(duì)較大（地形起伏最大可達(dá)約40m），7#風(fēng)電機(jī)組尾流所產(chǎn)生的風(fēng)速損失率相對(duì)于其他兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組更為明顯，在2D以后基本穩(wěn)定于50%左右。8#與44#風(fēng)電機(jī)組尾流所產(chǎn)生的風(fēng)速損失率約為35%左右。地形起伏引起風(fēng)電場(chǎng)的湍流強(qiáng)度增大，有利于風(fēng)電機(jī)組尾流的消散。

攝影：梁家輝

結(jié)論

通過WindPrint S4000相干激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析不同地形條件下風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，所得結(jié)論如下：

（1）上風(fēng)處風(fēng)電機(jī)組的尾流會(huì)對(duì)下風(fēng)處風(fēng)電機(jī)組造成影響，降低風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和可靠性，縮短風(fēng)電機(jī)組的服務(wù)壽命。

（2）風(fēng)電機(jī)組尾流引起的風(fēng)速損失在下風(fēng)處某個(gè)距離處會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，若尾流中淹沒了其他風(fēng)電機(jī)組，會(huì)造成風(fēng)速的二次衰減，風(fēng)電機(jī)組的尾流疊加作用明顯，風(fēng)電場(chǎng)在布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)電機(jī)組尾流的影響，不宜布置過密。

（3）風(fēng)電機(jī)組所處位置的海拔高度以及上風(fēng)處水平風(fēng)速的大小，會(huì)影響尾流中風(fēng)速損失率的變化規(guī)律，風(fēng)速越小，尾流所產(chǎn)生的風(fēng)速衰減越嚴(yán)重。

（4）地形越平坦，尾流所產(chǎn)生的風(fēng)速衰減越大，地形起伏引起風(fēng)電場(chǎng)的湍流強(qiáng)度增大，有利于風(fēng)電機(jī)組尾流的消散。