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復雜地形條件下應用CFD技術進行風能資源評估應用分析

2014-04-26 00:00:42殷建光
風能 2014年1期
關鍵詞:風塔測風塔距離

殷建光

(國電聯(lián)合動力技術有限公司,北京 100039)

0 引言

本文選取中國云南省復雜山區(qū)的一個實際項目(整個計算模擬區(qū)域的最高海拔在3274m,最低海拔在1422m,海拔落差達1852m)為例,該項目有多個測風塔,如圖1所示,塔高均為70m,并且數據同期,便于進行交叉驗證與分析。通過對此項目4個測風塔(編號為7101—基礎海拔3070m、7103—基礎海拔3150m、7105—基礎海拔3066m、7106—基礎海拔3134m,從南向北沿山脊依次排開)測風數據的分析,選擇測風同期的時間從2009年7月20日-2010年6月12日的數據,其中在2009年9月30日-2009年10月6日,以及2010年3月25日-2010年4月13日由于通信問題導致數據缺失,其余天數數據完整、質量較高,適合做交叉驗證及后續(xù)的比較分析。該項目四個測風塔之間的距離如表1所示。

1 項目建模描述

圖1 測風塔位置分布示意圖

表1 各測風塔之間的距離(單位:m)

本項目采用基于計算流體力學技術的美迪WT軟件進行風流外推及風能資源模擬,分別以各個測風塔作為參考塔,外推其他測風塔,對其風速等風流變量模擬結果進行比較。整個項目計算半徑為9864m,采用的水平分辨率為50m,垂直分辨率為6m,水平擴展系數為1.1,垂直擴展系數為1.2,垂直參數為軟件默認0.7,平滑參數為軟件默認值1,勾選“激活針對計算區(qū)域邊緣平滑功能”,設定大氣熱穩(wěn)定度等級為2,即中性熱穩(wěn)定度。地形數據采用SRTM數據庫數據,粗糙度數據采用法國美迪公司提供的粗糙度數據庫(根據衛(wèi)星掃描獲取的地表信息,并進行加工整理)作為建模參考[1]。

將地形數據以及粗糙度數據輸入,并確定各測風塔位置及繪圖區(qū)域范圍,建模后的情況如圖2所示。

在定向計算時采用16個方向扇區(qū)進行定向模擬,根據實際測量數據分析,此處主風方向較為集中——西南風,可以適當對主風方向扇區(qū)進行加密定向計算,而非對所有方向扇區(qū)進行加密,在本研究中增加250度定向計算結果。每個方向扇區(qū)網格數量在600萬左右,平均每個扇區(qū)計算時間約為1小時20分鐘,其中圖3為方向為247°方向計算的結果結果劃分,圖4為定向計算后的加速因子的圖例顯示。

圖2 在軟件中數字化地形及粗糙度建模示意

圖3 WT-247度方向網格生成示意圖

圖4 247度定向模擬風加速因數示意圖

2 CFD數值模擬與實際測量交叉比較

進行交叉比較時,輸入其中一個測風塔70m高度處的測風數據,外推至其他測風塔處,并與其他測風塔70m高度處實際測量值進行比較分析,如圖5所示,交叉比較結果如表2所示。

由上述結果顯示,在風速推算的過程中7103號測風塔推算結果精度非常高計算與實測誤差不大于1.6%,代表性最好,因此如果在計算過程中采用7130測風塔評估整個風電場發(fā)電量,將得到相對精確的發(fā)電量的評估。

圖5 各測風塔風速外推模擬結果與實際測量值比較示意圖

圖6 各測風塔Weibull A參數模擬結果與實際測量值Weibull分布A參數比較示意圖

圖7 各測風塔Weibull K參數模擬結果與實際測量值Weibull分布K參數比較示意圖

表2 各測風塔風速模擬外推誤差比較

表3 各個測風塔Weibull參數比較表(采用默認最大似然法擬合)

表4 雙塔綜合外推結果與實測結果比較

通過風流分布規(guī)律參數的推算比較比較,由表3,圖6,圖7所示,7103號測風塔在推算風速風頻分布方面也具有較好推算效果,使得各個點發(fā)電量計算也可以控制在一定的誤差范圍之內,滿足實際工程要求并為后續(xù)工作奠定基礎[2]。測風塔7013號代表性質量高,將在后續(xù)工作進行近一步分析。

在此項目上,我們將繼續(xù)研究多塔綜合的效果,將針對不同的測風塔進行配對組合,并采取不同的權重進行分析,主要是看在復雜地形條件下,已有的默認加權方式與其他加權方式,以及不同測風塔組合的多塔綜合,對結果的影響,研究中的多塔綜合權重首先采取默認的“距離平方”進行加權分析,再采取“距離”進行加權分析(由于測風數據選擇都為同期,并且已經對質量進行了控制及篩選,整體測風數據質量較高,所以在研究中測風數據質量的置信系數均取為1)。各個單塔結果中的變量根據距離對應的權重進行加權的方式如下:

X:結果點處的綜合變量值;Xi:結果點處第i次綜合的變量值;di:從結果點到第i次綜合參考點之間的距離;ci:對于第i次綜合結果的置信系數;ε=1m;p:距離加權指數,在此研究中,針對p取不同權重,p=2是默認加權方式,即以距離的平方作為加權,p=1,則表示按照各測風參考點與結果點之間的距離進行加權。不同加權方式及組合比較結果如表4所示。

通過上面多塔綜合分析,在此項目我們發(fā)現(xiàn)如果僅以距離作為多塔綜合的權重,在某些結果上略好于默認的距離平方作為權重的結果,但是以距離平方作為默認權重進行多塔綜合應該說是適應大部分項目,其整體效果在此項目上表現(xiàn)仍然不錯,滿足實際工程要求[3]。同時通過模擬分析,我們也會發(fā)現(xiàn),在進行多塔綜合時,如果某些塔自身的代表性不好(可能由于此塔所處位置以及環(huán)境的特殊性,對此測風塔測量數據所代表的范圍有限制),即使其他塔與其進行組合進行多塔模擬分析計算,其對誤差改進作用可能并不明顯,在此情況下,應該在使用WT軟件中采用分片分區(qū)域控制,尤其對于已經排布之后的機位發(fā)電量計算,可以根據每個測風塔劃定其代表區(qū)域,然后分片綜合計算。

3 結論

通過對云南復雜山地項目的模擬分析,確認了計算流體力學技術在復雜地形條件下進行風能資源模擬的可靠性;同時,也確認了在進行多塔綜合時,采用默認參數通常來講是合適的,如果根據不同的項目情況,也可以適當采用距離作為加權參數。

下一步的研究將采用更為精細化的地形數據,在復雜地形條件下,高分辨率地形數據可以保證測風塔位置及風電機組相對位置的準確,進行可靠的后評估。同時在下一階段研究中將考慮中尺度技術與CFD技術結合進行降尺度分析計算,并與實際測量值進行比較分析,確認在復雜地形條件下進行風能資源評估的其他途徑及方案驗證。

[1]雷楊娜,孫嫻 ,姜創(chuàng)業(yè).測風塔選址對復雜地形風電場風資源評估的影響 [J].水電能源科學, 2013 (4):236-239.

[2]遲繼峰,鐘天宇, 劉慶超.復雜地形多測風塔綜合地貌及風切變擬合修正的風資源評估方法研究 [J].華電技術, 2012 (11):75-77.

[3]馮賓春,邢占清.風資源評估中的關鍵問題評述 [J].水利水電技術,2009 (9):46-49.

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