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        狹管地形內(nèi)部風(fēng)資源分布特性研究

        2022-10-12 14:05:04葛文濤
        水力發(fā)電 2022年8期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)塔測風(fēng)塔風(fēng)向

        劉 銳,熊 恒,葛文濤

        (1.中國電建集團(tuán)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511457;2. 湖南三一智慧新能源設(shè)計(jì)有限公司,湖南 長沙 410100)

        0 引 言

        風(fēng)電場從地形上可劃分為平坦地形風(fēng)電場和復(fù)雜地形風(fēng)電場[1]。對于平坦地形風(fēng)電場,由于場內(nèi)地形變化很小,自由流風(fēng)速在水平方向上分布較為均勻。對于山地、丘陵復(fù)雜地形風(fēng)電場,由于場內(nèi)地形起伏較大,自由流風(fēng)速在水平方向分布隨地形發(fā)生較大的變化,在山的頂部和兩側(cè),風(fēng)速加強(qiáng);在山的背風(fēng)面,風(fēng)速會急劇減弱[2]。但這兩種地形有一個普遍規(guī)律:一般海拔越高的地方,風(fēng)速越大。而在現(xiàn)實(shí)風(fēng)電場開發(fā)中,存在一類地形,在一定空間尺度上,地表看似起伏較小甚至平坦,但在較大空間尺度上處于狹管地形中,風(fēng)速分布與以上兩種地形有所差別。

        關(guān)于狹管地形風(fēng)電場的風(fēng)資源評估,國內(nèi)學(xué)者也有做過相關(guān)的研究:任臘春等[3]分析了高原峽谷風(fēng)電場風(fēng)速相關(guān)性、風(fēng)速切變、湍流強(qiáng)度、風(fēng)能資源分布等主要風(fēng)況特性;沈晶等[4]采用FLUENT平臺模擬分析了主導(dǎo)風(fēng)向、地形坡度及地面粗糙度變化時峽谷風(fēng)場風(fēng)速的分布情形;洪新民等[5]研究了峽谷風(fēng)剖面沿峽谷長度和寬度方向的變化特征及峽谷外形對峽谷風(fēng)特征參數(shù)的影響。但均未對狹管地形沿管道徑向上的風(fēng)資源分布特性進(jìn)行詳細(xì)闡述。

        本文通過對某狹管地形不同位置處的測風(fēng)塔同步實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到狹管地形管道徑向上的風(fēng)資源分布規(guī)律,并通過測風(fēng)塔互推,對不同軟件模擬狹管地形風(fēng)資源的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而找到適合評估狹管地形風(fēng)資源的方法和手段,為狹管地形風(fēng)電場前期測風(fēng)和微觀選址工作提供指導(dǎo)。

        1 狹管地形的風(fēng)流特性

        1.1 風(fēng)電場情況介紹

        某風(fēng)電場位于埃及紅海蘇伊士灣西岸的灘涂地帶,海拔隨著離岸距離的增加而逐漸上升,根據(jù)測風(fēng)塔數(shù)據(jù),此處盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅逼保c蘇伊士灣走向一致;蘇伊士灣兩岸受山體夾擊,屬于典型的狹管地形。在狹管地形管道徑向上,分別立有1、2號兩座測風(fēng)塔,1號測風(fēng)塔靠近岸邊,離岸距離約6 km,海拔61 m,2號測風(fēng)塔靠近內(nèi)陸,離岸距離約20 km,海拔282 m,如圖1所示。

        圖1 風(fēng)電場地形情況及測風(fēng)塔位置

        1.2 測風(fēng)數(shù)據(jù)分析

        目前收集到1、2號測風(fēng)塔2016年3月~11月80 m高度的風(fēng)速、風(fēng)向信息,有效數(shù)據(jù)完整率均在98%以上,有利于測風(fēng)數(shù)據(jù)的分析比較。兩測風(fēng)塔80 m高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)對比如圖2~4所示。

        圖2 80 m高度月平均風(fēng)速

        從月平均風(fēng)速來看(見圖2),2號測風(fēng)塔80 m高度月平均風(fēng)速均低于1號測風(fēng)塔,平均低出2.37 m/s,即狹管地形的風(fēng)速分布異于其他地形:越靠近山體,海拔越高,風(fēng)速越低。

        從風(fēng)向頻率來看(見圖3),1號測風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼焙臀鞅保?號測風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向僅為西北偏北,即2號測風(fēng)塔處由于更靠近山體,其在西北扇區(qū)受山體的影響比1號測風(fēng)塔更大,從而使其風(fēng)向向遠(yuǎn)離山體的角度發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)。

        圖3 風(fēng)向頻率(80 m高度風(fēng)向)

        從扇區(qū)風(fēng)速來看(見圖4),在主導(dǎo)風(fēng)向上,1號測風(fēng)塔80 m高度平均風(fēng)速明顯高于2號測風(fēng)塔,在東北偏東-東扇區(qū)上,2號測風(fēng)塔80 m高度平均風(fēng)速略高于1號測風(fēng)塔,即進(jìn)一步說明狹管地形吹狹管風(fēng)時,風(fēng)速在管道徑向上的分布異于其他地形,而在吹非狹管風(fēng)時,風(fēng)速在管道徑向上的分布與常規(guī)地形一致。

        圖4 80 m高度各扇區(qū)平均風(fēng)速

        1.3 狹管地形內(nèi)部風(fēng)速分布與理論分析

        通過以上對比分析,可得到峽管風(fēng)的風(fēng)速分布特點(diǎn):越靠近谷底(海拔越低)風(fēng)速越大,越靠近山坡(海拔越高)風(fēng)速越小。這與流體力學(xué)管道流動理論相符,即由于流體(空氣)的黏滯性,流體(空氣)在流管(狹管)中的流速(水平風(fēng)速)沿管道直徑呈現(xiàn)出梯度分布的特點(diǎn):管中心流速最大,向著管道壁(山體)的方向遞減,直至管壁處的流速為0[6]。管道中斷面流速分布如圖5所示。

        圖5 管道中斷面流速分布

        2 不同風(fēng)資源仿真軟件對狹管地形的模擬分析

        2.1 WAsP與WT原理介紹

        目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi),風(fēng)資源模擬軟件根據(jù)計(jì)算模型的不同,分為線性和非線性兩類。線性模型以WAsP為代表,非線性模型以基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的WT為代表[7]。

        WAsP是由丹麥Risφ國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來的風(fēng)資源計(jì)算軟件,該軟件以特定的線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過輸入氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、地表粗糙度和障礙物等數(shù)字化信息,可以模擬風(fēng)場范圍內(nèi)的風(fēng)資源狀況。線性模型假設(shè)風(fēng)是附著地表流動的,因此適合地形相對簡單、地勢平坦的地區(qū),但對于復(fù)雜的地形,由于受許多邊界條件的限制,并不適用[7]。

        WT是由法國美迪公司開發(fā)出來的基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的非線性風(fēng)資源評估軟件。CFD模型的基本思路為:把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場,如速度場,用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的合集來代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組并求解,獲得場變量的近似值。理論上,CFD模型可以應(yīng)對近地層風(fēng)流的非線性效應(yīng),在復(fù)雜地形和障礙物或森林存在的情況下更具優(yōu)勢[7- 8]。

        狹管地形作為較為特殊的一類地形,對其分別采用線性WAsP軟件和非線性WT軟件進(jìn)行風(fēng)資源模擬,探究針對此類地形的風(fēng)資源模擬方法。

        2.2 WAsP計(jì)算結(jié)果分析

        采用WAsP風(fēng)資源評估軟件,進(jìn)行建模計(jì)算和測風(fēng)塔互推,2號測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速為9.36 m/s,推導(dǎo)風(fēng)速為11.87 m/s,風(fēng)速差異為26.82%;1號測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速為11.81 m/s,推導(dǎo)風(fēng)速為9.27 m/s,風(fēng)速差異為-21.51%??梢钥闯觯?/p>

        (1)采用1號測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)2號測風(fēng)塔處風(fēng)速(低海拔推高海拔),WAsP軟件會把2號測風(fēng)塔風(fēng)速推高25%以上,推導(dǎo)出的2號測風(fēng)塔平均風(fēng)速高于1號測風(fēng)塔實(shí)測平均風(fēng)速。

        (2)采用2號測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)1號測風(fēng)塔處風(fēng)速(高海拔推低海拔),WAsP軟件會把1號測風(fēng)塔風(fēng)速推低20%以上,推導(dǎo)出的1號測風(fēng)塔平均風(fēng)速低于2號測風(fēng)塔實(shí)測平均風(fēng)速。

        (3)WAsP軟件對狹管地形的風(fēng)速模擬與實(shí)際風(fēng)速分布相悖。

        采用WAsP軟件對測風(fēng)塔風(fēng)向進(jìn)行互推,結(jié)果如表1所示。從表1可知,WAsP推導(dǎo)的風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向差異較大,與輸入的風(fēng)向基本一致,即WAsP無法對風(fēng)向進(jìn)行較好的模擬。

        表1 測風(fēng)塔風(fēng)向?qū)崪y值與WAsP互推值

        2.3 WT計(jì)算結(jié)果分析

        采用WT風(fēng)資源仿真軟件,進(jìn)行建模計(jì)算和測風(fēng)塔互推,結(jié)果如表2所示??梢钥闯觯?/p>

        表2 測風(fēng)塔風(fēng)速實(shí)測值與WT互推值

        (1)采用1號測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)2號測風(fēng)塔處風(fēng)速(低海拔推高海拔),WT軟件會把2號測風(fēng)塔風(fēng)速推高近20%,但推導(dǎo)出的2號測風(fēng)塔風(fēng)速與2號實(shí)測風(fēng)速一樣低于1號測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速。

        (2)采用2號測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)1號測風(fēng)塔處風(fēng)速(高海拔推低海拔),WT軟件會把1號測風(fēng)塔風(fēng)速推低近15%,但推導(dǎo)出的1號測風(fēng)塔風(fēng)速與1號實(shí)測風(fēng)速一樣高于2號測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速。

        (3)WT軟件對狹管地形的風(fēng)速模擬趨勢與實(shí)際一致,但仍存在較大誤差。

        采用WT軟件對測風(fēng)塔風(fēng)向進(jìn)行互推,結(jié)果如表3所示。從表3可知,WT推導(dǎo)的風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向差異較大,與輸入的風(fēng)向基本一致,即WT也無法對風(fēng)向進(jìn)行較好的模擬。

        表3 測風(fēng)塔風(fēng)向?qū)崪y值與WT互推值

        2.4 對比分析

        通過對采用兩種不同的風(fēng)資源仿真軟件進(jìn)行測風(fēng)塔互推的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較,可以得到:

        (1)基于線性的WAsP軟件無法模擬出峽管地形的風(fēng)流特性,且?guī)磔^大風(fēng)速誤差。

        (2)基于CFD的非線性WT軟件能夠模擬出峽管地形的風(fēng)流特性,但誤差較大,低海拔(山谷)推高海拔(山坡)風(fēng)速會被推高約20%,高海拔(山坡)推低海拔(山谷)風(fēng)速會被推低約15%。

        (3)兩種軟件均無法對峽管地形的風(fēng)向進(jìn)行很好的模擬。

        3 結(jié) 論

        通過對埃及紅海蘇伊士灣西岸狹管地形內(nèi)的兩測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模擬,得到如下結(jié)論:

        (1)狹管地形內(nèi)部在管道徑向上的風(fēng)速分布呈現(xiàn)出與其他地形迥異的特點(diǎn),一般海拔越低(越靠近谷底),風(fēng)速越大,海拔越高(越靠近山體)風(fēng)速越低。

        (2)狹管地形內(nèi)部主風(fēng)向會在管道徑向上發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。

        (3)對狹管地形的風(fēng)資源模擬,基于線性的WAsP軟件模擬結(jié)果與實(shí)際相悖,基于CFD的非線性WT軟件模擬結(jié)果在趨勢上與實(shí)際一致,但誤差較大,兩者對風(fēng)向均不能進(jìn)行較好的模擬。

        (4)對于狹管地形風(fēng)電場的風(fēng)資源評估,建議在沿管道徑向上至少立兩座測風(fēng)塔,以控制項(xiàng)目的最大和最小風(fēng)速。

        (5)對于狹管地形的微觀選址,海拔越高的地方并非風(fēng)速越好,風(fēng)電機(jī)組在考慮尾流影響的前提下應(yīng)盡可能往峽谷中心線處布置。

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