劉 志 遠(yuǎn)

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

按照國際上通行的海拔劃分標(biāo)準(zhǔn)[1]，3 500～5 500 m即為超高海拔。我國超高海拔地區(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4 000 m以上。根據(jù)第四次全國風(fēng)能資源普查成果，西藏超高海拔地區(qū)風(fēng)能資源尤其豐富，全區(qū)風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量超過千萬千瓦，主要集中在海拔4 800 m以上區(qū)域。在當(dāng)前國內(nèi)內(nèi)陸風(fēng)資源豐富區(qū)開發(fā)趨于飽和，可再生能源補(bǔ)貼退坡機(jī)制的背景下，豐富的風(fēng)能資源帶來的超高發(fā)電小時數(shù)，可有效緩解開發(fā)企業(yè)在項目投資收益方面的壓力，未來廣闊的超高海拔地區(qū)勢必成為風(fēng)能開發(fā)利用的一個重要區(qū)域。

但當(dāng)前超高海拔地區(qū)風(fēng)電開發(fā)整體仍處于滯后狀態(tài)。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)外5 000 m以上海拔高度風(fēng)電開發(fā)尚處于空白；西藏目前僅有國電龍源那曲高海拔試驗(yàn)風(fēng)電場在役，裝機(jī)規(guī)模0.75萬kW，平均海拔高度約4 600 m，是國內(nèi)已運(yùn)行的最高海拔風(fēng)電場。根據(jù)自治區(qū)“十三五”綜合能源發(fā)展規(guī)劃，計劃到2020年底，全區(qū)風(fēng)電累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到20萬kW，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)。除了電網(wǎng)構(gòu)架、負(fù)荷消納、開發(fā)成本等客觀因素之外，制約風(fēng)電開發(fā)的最大瓶頸在于超高海拔風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。相比一般高海拔地區(qū)，超高海拔地區(qū)氣象條件更加復(fù)雜，通常具有“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)，復(fù)雜的氣候氣象條件對風(fēng)電機(jī)組的適用性提出了更高要求。除了設(shè)備本身對特殊環(huán)境的適應(yīng)性，該類地區(qū)風(fēng)資源獨(dú)有的特性研究對機(jī)組設(shè)備的研發(fā)也至關(guān)重要，直接影響機(jī)組能否充分捕捉風(fēng)能資源，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化。本文對西藏超高海拔地區(qū)風(fēng)資源特性進(jìn)行初步探究，為超高海拔機(jī)組研發(fā)提供一定的研究成果和參考依據(jù)，為該類地區(qū)風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)做好充足準(zhǔn)備。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取西藏地區(qū)已建成的12座代表測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取的測風(fēng)塔分布于拉薩市、昌都市、山南市、日喀則市、那曲地區(qū)以及阿里地區(qū)，覆蓋海拔高度梯度范圍介于4 550～5 230 m之間，且1～12號測風(fēng)塔海拔高度不斷增加。12座代表測風(fēng)塔基本情況如表1所示，其選取原則如下：

(1)測風(fēng)塔海拔高度梯度分布應(yīng)基本能夠覆蓋超高海拔地區(qū)的研究范圍。

(2)測風(fēng)塔地理位置分布應(yīng)盡量覆蓋全區(qū)范圍，基本能夠反映全區(qū)情況。

(3)測風(fēng)塔位置現(xiàn)場地形情況應(yīng)具備風(fēng)電開發(fā)條件，具有良好的代表性。

(4)測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度不宜過低，接近風(fēng)電機(jī)組輪轂高度最為適宜。

(5)測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，有效數(shù)據(jù)完整率應(yīng)不低于95%。

表1 代表測風(fēng)塔基本情況

圖1 代表測風(fēng)塔地理位置分布示意

2 風(fēng)資源特性分析

本節(jié)主要對該類風(fēng)資源地區(qū)的空氣密度、風(fēng)速和風(fēng)功率密度、風(fēng)和風(fēng)能頻率分布、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度、五十年一遇最大風(fēng)速，這六大基本風(fēng)況特征參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 空氣密度

各代表測風(fēng)塔平均空氣密度計算結(jié)果見圖2。分析可知，研究范圍內(nèi)平均空氣密度基本介于0.686～0.733 kg/m3之間，平均空氣密度約為0.708 kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)陸其他地區(qū)空氣密度的平均水平，其主要原因是海拔較高、空氣稀薄。而常規(guī)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的動態(tài)功率曲線和推力系數(shù)曲線空氣密度范圍通常不低于0.800 kg/m3，從而導(dǎo)致常規(guī)機(jī)組在該類地區(qū)運(yùn)行出現(xiàn)明顯的葉片失速現(xiàn)象，即機(jī)組難以按照額定功率運(yùn)行，風(fēng)能捕捉效果明顯降低，發(fā)電量大幅減少。

2.2 風(fēng)速和風(fēng)功率密度

各代表測風(fēng)塔70 m及以上高度平均風(fēng)速基本在6.0 m/s以上，風(fēng)功率密度等級在2級及以上，風(fēng)資源非常豐富。受大氣的斜壓性(熱成風(fēng))影響，基本上呈風(fēng)速隨海拔增高而增加的趨勢。

從風(fēng)速和風(fēng)功率密度年內(nèi)變化分析，小風(fēng)月基本發(fā)生在4～9月，最小發(fā)生在8月左右；大風(fēng)月基本發(fā)生在10月～次年3月，最大發(fā)生在1月左右，季節(jié)性變化明顯，呈冬春季風(fēng)速大、夏秋季風(fēng)速小的特點(diǎn)。從風(fēng)速和風(fēng)功率密度日內(nèi)變化分析，6～12時，風(fēng)速和風(fēng)功率密度較小，10時左右達(dá)到最小值；16～22時，風(fēng)速和風(fēng)功率密度較大，17時左右達(dá)到最大值，個別出現(xiàn)在20時左右。年內(nèi)和日內(nèi)整體變化趨勢與內(nèi)陸其他地區(qū)基本相同(如圖3、圖4所示)。

測風(fēng)塔編號

圖3 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度年內(nèi)變化曲線

圖4 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度日內(nèi)變化曲線

2.3 風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布

通過對各代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度處風(fēng)速(見圖5)和風(fēng)能頻率分布(見圖6)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，低于3.0 m/s風(fēng)速段風(fēng)速出現(xiàn)累計頻率約占全年9%～48%，且隨著海拔高度的增加而不斷減少；高于20.0 m/s風(fēng)速段風(fēng)能出現(xiàn)累計頻率約占全年0.01%～25%，且隨著海拔高度的增加而不斷增加。相比內(nèi)陸其他地區(qū)，該類地區(qū)風(fēng)能利用區(qū)間更加寬闊。通常情況下，常規(guī)風(fēng)電機(jī)組有效利用風(fēng)速段(切入風(fēng)速～切出風(fēng)速)基本介于3.0～20.0 m/s，該類地區(qū)低于3.0 m/s風(fēng)速段的風(fēng)能非常少，而高于20.0 m/s風(fēng)速段的風(fēng)能卻非常多，故采用常規(guī)機(jī)組可能會導(dǎo)致大部分的風(fēng)能無法利用，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

圖5 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度風(fēng)速頻率分布

圖6 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度風(fēng)能頻率分布

2.4 風(fēng)切變指數(shù)

風(fēng)速垂直切變不僅影響測風(fēng)塔實(shí)測以上高度風(fēng)速的推導(dǎo)，同時影響風(fēng)電機(jī)組塔架高度的選擇，并且對風(fēng)電機(jī)組載荷和發(fā)電效率都有一定影響，是最重要風(fēng)況參數(shù)之一。分析可知，該類地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)整體較小，且有超過一半測風(fēng)塔均出現(xiàn)負(fù)切變，初步判斷該類地區(qū)70 m及以上高度普遍會出現(xiàn)負(fù)切變(見圖7)。

以8號代表測風(fēng)塔為例分析，從地形、地貌和大氣熱穩(wěn)定性兩方面研究負(fù)切變產(chǎn)生主要原因。該塔有負(fù)切變現(xiàn)象產(chǎn)生，且近地面通道風(fēng)速相對較大，最高層通道風(fēng)速最小，10 m高度實(shí)測平均風(fēng)速約為9.58 m/s，100 m高度實(shí)測平均風(fēng)速約為9.35 m/s。

2.4.1 地形地貌

通過對測風(fēng)塔處地形地貌分析，該處測風(fēng)塔地勢相對平坦，山脊坡度較緩，沿山脊線高差約60 m。分別取8號測風(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(見圖8)。

圖7 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度風(fēng)切變指數(shù)統(tǒng)計

(1)隆起地形地勢非常平緩，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)50 m/10 m、80 m/70 m兩個高度區(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)地表覆蓋物均為荒草或裸露地面，無灌木或高樹等，即地表粗糙度也不會對風(fēng)廓線造成較大影響，即地形地貌會對氣流產(chǎn)生一定的影響，但非負(fù)切變現(xiàn)象產(chǎn)生的主因。

圖8 8號測風(fēng)塔地形地貌

2.4.2 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后，大氣層結(jié)使該空氣團(tuán)具有返回或遠(yuǎn)離原來平衡位置的趨勢和程度，直接影響近地層大氣的垂直對流，溫度越高垂直對流越強(qiáng)，大氣越不穩(wěn)定。大氣熱穩(wěn)定性一般根據(jù)理查森數(shù)Ri判定，該參數(shù)描述湍流運(yùn)動因抵抗重力所做的功與雷諾應(yīng)力使平均運(yùn)動動能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動動能之比值的大小，與溫度梯度有關(guān)，見公式(1)[2]。因測風(fēng)塔只進(jìn)行一個高度層溫度監(jiān)測，無法直接計算得到Ri值。因氣流運(yùn)動跟太陽輻射有直接關(guān)系，本文提出利用太陽輻射定性分析、間接驗(yàn)證，分別進(jìn)行風(fēng)速與輻射量日內(nèi)、年內(nèi)以及季節(jié)變化對比分析。

(1)

式中，θv為虛位溫，θv≈θ(1+0.61q)；θ為位溫，q為比濕。

從日內(nèi)變化分析可知(見圖9～10)，不同季節(jié)輻射量主要集中在6～8時至19～20時之間，此時間段內(nèi)各高度層出現(xiàn)明顯負(fù)切變；其他時段不同高度層風(fēng)速變化幅度不一致，風(fēng)切變有所不同。其中10 m高度層風(fēng)速變化最為明顯：在0～9時區(qū)間內(nèi)，太陽尚未完全升起，場址區(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時區(qū)間內(nèi)，太陽完全升起，場址區(qū)域輻射量不斷增加，風(fēng)速大幅增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高度層風(fēng)速；20～23時區(qū)間內(nèi)，太陽逐漸落下，輻射量減少，風(fēng)速逐漸減小，直至低于其他高度層。其他高度層風(fēng)速在不同時段也具有類似變化規(guī)律。故基本可判斷輻射量的確通過影響氣流運(yùn)動對風(fēng)切變產(chǎn)生較大影響。

從年內(nèi)變化分析可知(見圖11)，風(fēng)速與輻射量年內(nèi)的整體變化趨勢有一定的相似性，風(fēng)速在1～4月呈先增大再減少的趨勢，5～12月呈先減少后增加再減少的趨勢。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月呈先增大再減少的趨勢，6～12月呈先減少后增加再減少的趨勢。

從季節(jié)變化分析可知(見圖12～13)，夏季輻射量最高，對風(fēng)切變影響最大，綜合風(fēng)切變也最小，為-0.032，依次為春季、秋季，冬季，即風(fēng)切變大小與輻射量高低成反比關(guān)系，且基本以50 m高度為界點(diǎn)。

其他部分安裝有測光設(shè)備的代表測風(fēng)塔各月輻射量與風(fēng)切變基本也呈現(xiàn)類似變化規(guī)律(見圖14)。

圖9 8號測風(fēng)塔各測風(fēng)高度平均風(fēng)速日內(nèi)變化

圖10 輻射數(shù)據(jù)典型日內(nèi)變化

圖11 8號測風(fēng)塔風(fēng)速和輻射量年內(nèi)變化

圖12 8號測風(fēng)塔輻射量不同季節(jié)變化趨勢

圖13 8號測風(fēng)塔不同季節(jié)風(fēng)切變擬合曲線

綜上分析，該類地區(qū)負(fù)切變產(chǎn)生的主因?yàn)榇髿鉄岱€(wěn)定性而非地形地貌。由于晝夜溫差較大，白天太陽輻射充分到達(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)動加速，而上層空氣的運(yùn)動減速[3]。由于海拔較高，空氣稀薄，導(dǎo)致空氣密度也非常低，垂直高度上空氣密度隨高度的增加而降低，氣流受熱加速相對滯后或不明顯。地表覆蓋物如茂密林地等可有效吸收多余太陽的熱量，減緩近地層亂流的產(chǎn)生，而西藏大部分地區(qū)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過上層空氣運(yùn)動速度時，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。

圖14 部分代表測風(fēng)塔各月輻射量與風(fēng)切變變化曲線

2.5 湍流強(qiáng)度

各代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度處15.0 m/s風(fēng)速段平均湍流強(qiáng)度計算結(jié)果見圖15。分析可知，該類地區(qū)15.0 m/s風(fēng)速段平均湍流強(qiáng)度整體較小，均低于0.14，且基本與海拔高度成反比關(guān)系。參照《風(fēng)電機(jī)組設(shè)計要求》(IEC61400-1-2005)，初步判斷該類地區(qū)基本屬于湍流中低強(qiáng)度等級。

圖15 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度湍流強(qiáng)度統(tǒng)計

2.6 50年一遇最大風(fēng)速

采用歐洲風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ經(jīng)驗(yàn)公式和等壓計算公式推算各代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，50年一遇最大風(fēng)速見圖16。分析可知，該類地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速均低于37.5 m/s，參照《風(fēng)電機(jī)組設(shè)計要求》(IEC61400-1-2005)，初步判斷該類地區(qū)基本屬于IEC Ⅲ類風(fēng)場。

圖16 代表測風(fēng)塔最大測風(fēng)高度50年一遇最大風(fēng)速統(tǒng)計

3 結(jié) 論

(1)西藏超高海拔地區(qū)空氣密度普遍較低，平均空氣密度在0.7 kg/m3左右。超高海拔風(fēng)電機(jī)組研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注由低空氣密度導(dǎo)致的葉片失速以及功率曲線和推力系數(shù)曲線修正問題，在保證穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，應(yīng)考慮加裝VG。

(2)該類地區(qū)風(fēng)資源非常豐富，70 m及以上高度風(fēng)功率密度等級基本在2級及以上，受大氣的斜壓性(熱成風(fēng))影響，基本上呈風(fēng)速隨海拔高度增加而增加的趨勢。年內(nèi)、日內(nèi)整體變化趨勢與內(nèi)陸其他地區(qū)基本相同。

(3)該類地區(qū)風(fēng)能利用區(qū)間更加廣闊，尤其是高于20.0 m/s風(fēng)速段的風(fēng)能占比較大，且隨著海拔高度的增加而增加。超高海拔風(fēng)電機(jī)組研發(fā)應(yīng)適當(dāng)提高切出風(fēng)速，最大限度利用高風(fēng)速段的風(fēng)能，避免資源浪費(fèi)。

(4)該類地區(qū)70 m高度及以上高度負(fù)切變現(xiàn)象普遍發(fā)生，受太陽輻射加熱和地表覆蓋物吸熱作用影響，其主導(dǎo)因素為大氣熱穩(wěn)定性而非地形地貌。在保證安全運(yùn)行和良好效益的前提下，超高海拔風(fēng)電機(jī)組研發(fā)不宜采用高輪轂。

(5)該類地區(qū)15.0 m/s風(fēng)速段平均湍流強(qiáng)度整體較小，均低于0.14，且基本與海拔高度成反比關(guān)系；標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速均低于37.5 m/s，初步判斷該類地區(qū)的超高海拔風(fēng)電機(jī)組適宜選用IEC ⅢB類及以上等級。