朱 靜，溫美沙

(1.張家口市第四中學(xué)，河北 張家口 075000；2.河北北方學(xué)院 理學(xué)院，河北 張家口 075000)

風(fēng)力發(fā)電是清潔和可再生能源，是世界各國(guó)大力發(fā)展的新能源之一。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，既是培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的有力抓手，又是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要舉措。然而，風(fēng)電開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一直受到社會(huì)關(guān)注，風(fēng)電開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾愈發(fā)尖銳，勢(shì)必會(huì)阻礙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。在碳中和的大環(huán)境下，可再生能源的開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)同等重要。國(guó)外的風(fēng)力發(fā)電建設(shè)比較早，比如丹麥的風(fēng)車早已聞名于世界。國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電起步比較晚，但是國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度比較迅速。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

李國(guó)慶和趙宗慈都認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中會(huì)吸收氣流的動(dòng)量，從而使下游地區(qū)風(fēng)速減小20%～40%，影響范圍達(dá)到30～60 km，這一影響范圍可能會(huì)隨風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模增加而增大。所不同的是李國(guó)慶主要運(yùn)用模型模擬的方法，而趙宗慈主要運(yùn)用觀測(cè)和數(shù)值模擬兩種方法。胡菊的研究發(fā)現(xiàn)，在下墊面不均勻情況下，風(fēng)力機(jī)下游的湍流也會(huì)不對(duì)稱；當(dāng)?shù)乇聿痪鶆驎r(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)造成風(fēng)速減小0.3～0.5 m/s，在地表均勻的情況下，風(fēng)機(jī)會(huì)使風(fēng)速減小幅度更大。因此地貌會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的大小。而李彩娟分析表明，裝機(jī)容量的增加沒(méi)有使張家口地區(qū)的風(fēng)速減小，而是使張家口地區(qū)的風(fēng)速逐年增加。她主要運(yùn)用SAS軟件，做年風(fēng)速與裝機(jī)容量、年裝機(jī)臺(tái)數(shù)、新增裝機(jī)容量之間的相關(guān)性分析，結(jié)果顯示它們之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性；進(jìn)一步分析了各個(gè)因素的平方的相關(guān)性，并得出線性回歸方程，結(jié)果表明相關(guān)性顯著。

1.2 國(guó)外研究進(jìn)展

對(duì)丹麥一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速為8～9 m/s，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行對(duì)于動(dòng)量有所吸收，同時(shí)在70米處的風(fēng)機(jī)還存在摩擦力作用，由此導(dǎo)致在風(fēng)電場(chǎng)的下風(fēng)方向風(fēng)速會(huì)明顯降低，其中下風(fēng)方向6 km的風(fēng)速和原有風(fēng)速的比值是0.86，在8 km處的比值是0.88，即使之后有所回升，到11 km處，比值已經(jīng)達(dá)到0.9，但是仍然不能回到最初的風(fēng)速。Keith應(yīng)用兩個(gè)全球環(huán)流模型(geophysical fluid dynamics laboratory，GFDL)及國(guó)家大氣研究中心(national center for atmospheric research，NCAR)發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的利用風(fēng)電，風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行會(huì)提取空氣中的動(dòng)能進(jìn)而改變大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)輸。東京大學(xué) Wang等利用全球大氣-海洋和陸地完全耦合模式系統(tǒng) CCM3，考慮各種限制因素，將各種限制因素設(shè)置理想狀態(tài)進(jìn)行論證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)置使近地面風(fēng)速發(fā)生變化。Porte-Agel主要應(yīng)用大渦模擬風(fēng)電場(chǎng)對(duì)當(dāng)?shù)貧庀鬂撛谟绊懷芯?，結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)降低當(dāng)?shù)仫L(fēng)速。

國(guó)內(nèi)外的大量研究表明，風(fēng)力發(fā)電可能會(huì)影響當(dāng)?shù)氐耐寥?、降水、鳥(niǎo)類遷徙等，自然環(huán)境牽一發(fā)而動(dòng)全身，自然要素發(fā)生變化，從而導(dǎo)致局部氣候發(fā)生變化[2-13]。鑒于此，通過(guò)科學(xué)的研究分析，有效預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題，提前做好預(yù)防措施是必要的。本文通過(guò)實(shí)測(cè)獲得近地表風(fēng)速，研究風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)近地表風(fēng)速的影響。鑒于內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)力資源十分豐富，裝機(jī)規(guī)模和裝機(jī)速度位于全國(guó)第一位，此次采樣調(diào)查的風(fēng)電場(chǎng)最終定于巴彥淖爾市烏拉特中旗。

2 研究區(qū)域概況及研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

2.1.1 地理位置 烏拉特中旗地處內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市，經(jīng)度107.27°～109.7°E，緯度41.12°～41.47°N。北邊與蒙古國(guó)接壤，國(guó)界線有184 km，東面與包頭市相鄰，南與烏拉特前旗、臨河區(qū)、五原縣、杭錦后旗相鄰，西是烏拉特后旗。烏拉特中旗有豐富的風(fēng)能資源，是內(nèi)蒙古自治區(qū)最佳風(fēng)能區(qū)之一。一年中平均風(fēng)速≥8 m·s-1的時(shí)數(shù)在北部是2 382 h，占全年的27.2%，中部為871 h，占全年的93%。烏拉特中旗歷年平均大風(fēng)(風(fēng)速≥17 m·s-1，8級(jí))日數(shù)為28～74 d，最多的年份達(dá)到60～129 d，最少也有4～34 d，春季大風(fēng)日數(shù)是15～26 d，占全年的35%～53%。

2.1.2 地形地貌 烏拉特中旗在內(nèi)蒙古高原西部，因?yàn)殛幧缴矫}東西走向的二狼山、烏梁素太山、查斯太山的存在，導(dǎo)致烏拉特中旗被分割成南北不同的自然地貌，地域變化或過(guò)渡差異明顯，可以分成南部平原區(qū)和北部高原區(qū)。

2.1.3 風(fēng)電場(chǎng)概況 風(fēng)電場(chǎng)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特中旗海流圖鎮(zhèn)，經(jīng)度108.39°E，緯度41.99°N。隸屬于神華集團(tuán)內(nèi)蒙古分公司內(nèi)蒙古國(guó)華能源投資有限公司，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共有266臺(tái)風(fēng)機(jī)，2011年至2016年分批運(yùn)行，共5期。每臺(tái)風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量1.5 MW，共投資49 738萬(wàn)元。此風(fēng)電場(chǎng)所處地勢(shì)平坦，有利于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)近地表風(fēng)速的研究。

2.2 風(fēng)速采集過(guò)程

2.2.1 風(fēng)速采集儀器 環(huán)境氣象數(shù)據(jù)記錄儀、監(jiān)測(cè)儀U30-NRC，安裝方便，適用范圍廣泛?？梢酝ㄟ^(guò)HOBOware Pro software來(lái)測(cè)量，可以同時(shí)記錄分析15個(gè)以上的環(huán)境數(shù)據(jù)通道。該儀器具備堅(jiān)固耐用外殼，可以防備惡劣天氣，同時(shí)防損。配備有即插即用的傳感器，快速方便?？梢酝ㄟ^(guò)USB快速傳送數(shù)據(jù)，可選模擬輸入傳感器。支持大范圍的測(cè)量。正常操作范圍在-20～40 ℃。

2.2.2 風(fēng)速采集過(guò)程及采樣點(diǎn)

① 確定風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中相對(duì)獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(距離其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)距離≥500 m)為取樣對(duì)象，確定當(dāng)時(shí)的主風(fēng)向，在沿著主風(fēng)向的方向上，距風(fēng)機(jī)前500 m處架設(shè)測(cè)量風(fēng)速儀器，以確保該參照點(diǎn)所測(cè)風(fēng)速為曠野風(fēng)速。記錄所取采樣點(diǎn)位的經(jīng)緯度以及海拔，風(fēng)杯所處高度自下而上風(fēng)別是0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m，記錄不同高度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)杯編號(hào)，啟動(dòng)儀器，直至采樣結(jié)束關(guān)閉儀器。

② 沿著主風(fēng)向方向，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)前20 m，記錄所取采樣點(diǎn)位的經(jīng)緯度以及海拔，架設(shè)測(cè)量風(fēng)速儀器，記錄不同高度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)杯編號(hào)，啟動(dòng)后測(cè)量時(shí)間為10 min。

③ 停止風(fēng)速測(cè)量?jī)x器導(dǎo)出數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)是否獲取以及儀器使用是否正常。

④ 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)后20 m，垂直主風(fēng)向，架設(shè)3臺(tái)測(cè)量風(fēng)速儀器，記錄不同高度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)杯編號(hào)，3臺(tái)儀器間距30 m，啟動(dòng)儀器，每臺(tái)儀器測(cè)量時(shí)間為5 min。同時(shí)記錄所取采樣點(diǎn)位的經(jīng)緯度以及海拔。

⑤ 5分鐘后，將儀器平行向后挪至距離風(fēng)力發(fā)電機(jī)50 m處，3臺(tái)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量時(shí)間依舊為5 min。以此類推，距離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離依次為20、50、100、300、500 m。

⑥ 采樣結(jié)束，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦以及U盤，關(guān)閉風(fēng)速測(cè)量?jī)x器，對(duì)風(fēng)速測(cè)量?jī)x器進(jìn)行拆卸。采樣點(diǎn)如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)示意

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 將不同時(shí)間不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，初步通過(guò)Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的平均風(fēng)速。

1)風(fēng)速廓線的概念及計(jì)算

風(fēng)速廓線又稱平均風(fēng)速梯度或風(fēng)剖面。表示平均風(fēng)速沿著高度變化規(guī)律的曲線。是風(fēng)的重要特性之一。風(fēng)廓線通常有兩種描述方法：一種是對(duì)數(shù)描述，一種是指數(shù)描述。

① 對(duì)數(shù)法

在離地面高度100 m以內(nèi)的大氣層中，剪切應(yīng)力可以忽略不計(jì)。這時(shí)的風(fēng)速廓線為普朗特對(duì)數(shù)規(guī)律分布。

U(z)為離地面Z高度的平均風(fēng)速；U*為摩擦速度；K為常數(shù)，一般取0.4；Zd為零平面位移，對(duì)應(yīng)城市地貌；Z0為地面粗糙度，其對(duì)應(yīng)值為表1。

表1 不同地形地面粗糙度 單位：m

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速廓線的對(duì)數(shù)分布規(guī)律占大氣層高度的10%，所以在100 m之內(nèi)，風(fēng)速廓線的對(duì)數(shù)分布規(guī)律都是有效實(shí)用的[14]。

② 指數(shù)法

U(z)為離地面Z高度的平均風(fēng)速，Ur為參考高度處風(fēng)速，Z為高度，Zr為參考高度，a為地面粗糙度指數(shù)。不同地形地面粗糙度指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同地形地面粗糙度指數(shù)

2)Surfer的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電對(duì)不同高度風(fēng)速流場(chǎng)變化的影響主要運(yùn)用Surfer進(jìn)行處理研究。Surfer是由美國(guó)Golden Software公司開(kāi)發(fā)的一款繪制三維立體圖的軟件，該軟件插值功能和繪制圖件能力非常強(qiáng)大。利用Surfer可以繪制基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、等值線圖、分類數(shù)據(jù)圖、矢量圖線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖等多種立體圖。本文利用surfer繪制距離風(fēng)電機(jī)不同距離的風(fēng)速變化圖以及不同高度的相同距離的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速變化立體圖。

3 分析與結(jié)果

3.1 風(fēng)速廓線分析

3.1.1 距離風(fēng)機(jī)20 m風(fēng)速廓線分析 沿主風(fēng)向方向，在風(fēng)機(jī)前方500 m處，風(fēng)速不受風(fēng)機(jī)的干擾，將此處所測(cè)得的風(fēng)速作為參照風(fēng)速。通過(guò)測(cè)量離風(fēng)機(jī)20 m處的風(fēng)速與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線對(duì)比，研究風(fēng)速是否受到風(fēng)機(jī)的影響。距離風(fēng)機(jī)20 m設(shè)置2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別位于風(fēng)機(jī)前20 m處和風(fēng)機(jī)后20 m處。理論上風(fēng)機(jī)前20 m風(fēng)速應(yīng)等于參照點(diǎn)的風(fēng)速。沿主風(fēng)向方向，將位于風(fēng)機(jī)前方20 m處的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，參照點(diǎn)的風(fēng)速隨著距離地面高度的增加而增大，根據(jù)風(fēng)速增長(zhǎng)斜率，在距離地面0.2～0.5 m內(nèi)，風(fēng)速增加幅度較大。在大部分高度上，風(fēng)機(jī)前20 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速小于參照點(diǎn)的風(fēng)速。出現(xiàn)這種情況可能是風(fēng)機(jī)或下墊面性質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速產(chǎn)生影響，仍需進(jìn)一步論證。位于風(fēng)機(jī)后方20 m處設(shè)置實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其風(fēng)速與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線對(duì)比如圖3所示，參照點(diǎn)的風(fēng)速變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，都隨著高度的增加而增大，在距離地面0.2～1 m內(nèi)的風(fēng)速增加幅度比較大。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速小于參照點(diǎn)風(fēng)速。

圖2 風(fēng)機(jī)前20 m風(fēng)速廊線對(duì)比

3.1.2 距離風(fēng)機(jī)50 m風(fēng)速廓線分析 沿主風(fēng)向方向，位于風(fēng)機(jī)后方50 m的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)風(fēng)速廓線對(duì)比如圖4所示，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速隨著距離地面高度增加而增大，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)都在距離地面0.2～0.5 m處風(fēng)速增加幅度較大，整體上兩者風(fēng)速差別不大，但實(shí)驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速還是稍低于參照點(diǎn)風(fēng)速。

圖4 風(fēng)機(jī)后50 m風(fēng)速廊線對(duì)比

3.1.3距離風(fēng)機(jī)100 m風(fēng)速廓線分析 沿主風(fēng)向方向，位于風(fēng)機(jī)后方100 m的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線對(duì)比如圖5所示，風(fēng)機(jī)后100 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速都隨著高度的增加而增大，而且它們的變化趨勢(shì)大致相同。與之前實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不同的是，在0.2～2 m風(fēng)機(jī)后100 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速大于參照點(diǎn)的風(fēng)速。

3.1.4 距離風(fēng)機(jī)300 m風(fēng)速廓線分析 沿主風(fēng)向方向，位于風(fēng)機(jī)后方300 m處的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線對(duì)比如圖6所示，風(fēng)機(jī)后300 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在距離地面0.2～0.5 m之間風(fēng)速增加幅度較大，在距離地面0.5～2 m范圍內(nèi)，風(fēng)速近乎于勻速增長(zhǎng)。參照點(diǎn)的風(fēng)速在距離地面0.2～1 m，風(fēng)速增加幅度較大。在1～2 m，風(fēng)速增大幅度有所減小。在大多數(shù)高度范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)后300 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速小于參照點(diǎn)的風(fēng)速。

3.1.5 距離風(fēng)機(jī)500 m風(fēng)速廓線分析 位于風(fēng)機(jī)后500 m處的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速廓線對(duì)比如圖7所示，風(fēng)機(jī)后500 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在距離地面0.2～0.5 m之間的風(fēng)速增加幅度比較大，在距離地面0.5～2 m風(fēng)速持續(xù)均勻增長(zhǎng)，增加的幅度有所減弱。參照點(diǎn)的風(fēng)速在距離地面0.2～1 m大幅度均勻增長(zhǎng)，在距離地面1～2 m風(fēng)速增加幅度有所減弱。在大多數(shù)高度范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)后300 m實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速小于參照點(diǎn)的風(fēng)速。

3.2 風(fēng)力發(fā)電對(duì)不同高度風(fēng)速流場(chǎng)變化的影響

通過(guò)Surfer對(duì)于不同高度的風(fēng)速進(jìn)行處理，在圖8～12中，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的緯度，縱坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的經(jīng)度，圖中曲線為等風(fēng)速線，顏色由淺至深表示風(fēng)速由小到大。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速為風(fēng)速流場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速，參照點(diǎn)的風(fēng)速為風(fēng)速流場(chǎng)外的風(fēng)速。在風(fēng)速流場(chǎng)內(nèi)，延主風(fēng)向，離風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大。

圖8 2 m風(fēng)速變化

圖9 1.5 m風(fēng)速變化

圖11 0.5 m風(fēng)速變化

圖8～12中的數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 距離地面不同高度實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參照點(diǎn)的風(fēng)速對(duì)比

風(fēng)機(jī)后500 m的風(fēng)速與參照點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，在距離地面2、1.5、1 m的高度處，風(fēng)速流場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速均小于風(fēng)速流場(chǎng)外的風(fēng)速。在距離地面0.5 m處，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速達(dá)到場(chǎng)外風(fēng)速水平并且超過(guò)場(chǎng)外風(fēng)速；在距離地面0.2 m處，最終恢復(fù)到場(chǎng)外的風(fēng)速。

4 結(jié) 論

(1)在距離風(fēng)電機(jī)20、50、300和500 m處，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速在距離地面0.5～2 m高度內(nèi)都小于參照點(diǎn)的風(fēng)速。距離風(fēng)機(jī)后50 m和風(fēng)機(jī)后500 m，僅在距離地面0.2～0.5 m之間，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速都大于參照點(diǎn)的風(fēng)速。而風(fēng)機(jī)后100 m的風(fēng)速廓線圖顯示，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速均大于參照點(diǎn)的風(fēng)速。

(2)風(fēng)機(jī)會(huì)阻擋風(fēng)速，同時(shí)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)也會(huì)減弱風(fēng)速，因此，流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速應(yīng)低于流場(chǎng)外風(fēng)速。但在距離風(fēng)電機(jī)100 m處，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速大于參照點(diǎn)的風(fēng)速，在風(fēng)機(jī)后300 m處，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的風(fēng)速又再次小于參照點(diǎn)的風(fēng)速。造成這種結(jié)果的原因，是地形地貌還是側(cè)風(fēng)的影響需要進(jìn)一步討論。

(3)根據(jù)Surfer處理的圖片發(fā)現(xiàn)，在距離地面2、1.5、1 m的高度上，風(fēng)速流場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速小于風(fēng)速流場(chǎng)外的風(fēng)速。在距離地面0.5 m處，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速達(dá)到場(chǎng)外風(fēng)速水平并且超過(guò)場(chǎng)外風(fēng)速；在距離地面0.2 m處，最終恢復(fù)到場(chǎng)外的風(fēng)速。這樣的結(jié)果是否是摩擦力的影響造成的，還需要進(jìn)一步的論證研究。