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兩種不同風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法在風(fēng)速垂直外推中的對比分析

2022-01-12 10:13劉航薛文亮
能源研究與利用 2021年6期
關(guān)鍵詞:扇區(qū)粗糙度時(shí)序

劉航,薛文亮

(中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司,北京 100082)

風(fēng)能資源評估中采用輪轂高度的風(fēng)速測算風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量,《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》(GB/T 18709-2002)中明確規(guī)定需在擬選風(fēng)電機(jī)組輪轂中心高度處安裝風(fēng)速和風(fēng)向傳感器。由于前期初步評估存在誤差,以及大葉輪和高塔筒技術(shù)的快速迭代更新,導(dǎo)致前期的測風(fēng)高度有時(shí)并不與所選機(jī)組的輪轂高度相一致,此時(shí)需要根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)垂直外推輪轂高度處的風(fēng)速[1]。

在風(fēng)電領(lǐng)域,風(fēng)切變專指在大氣邊界層內(nèi)水平風(fēng)速在垂直高度內(nèi)的變化,可用風(fēng)速隨高度變化的風(fēng)速廓線表示。風(fēng)切變指數(shù)表征風(fēng)速隨高度變化的快慢程度,如果以冪律方程描述風(fēng)速廓線,那么冪律指數(shù)即為風(fēng)切變指數(shù)。風(fēng)切變指數(shù)的確定直接影響垂直外推風(fēng)速的準(zhǔn)確度,進(jìn)而對風(fēng)機(jī)選型、發(fā)電量評估和收益率測算產(chǎn)生重大影響[2-3]。

當(dāng)有多個(gè)高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)用最小二乘法擬合冪律風(fēng)速廓線來確定風(fēng)切變指數(shù),該方法基于多個(gè)高度的完整的風(fēng)速廓線,能綜合反映風(fēng)切變狀況[4],本文中的計(jì)算都采用該方法;當(dāng)僅有兩個(gè)高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí),根據(jù)風(fēng)切變冪律公式求出風(fēng)切變指數(shù),計(jì)算公式如下[5]:

(1)

(2)

式(1)~(2)中,α表示為風(fēng)切變指數(shù);Z1和Z2表示為高度,m;V1是高度Z1對應(yīng)的風(fēng)速,m/s;V2是高度Z2對應(yīng)的風(fēng)速,m/s。

王炎等[6]人應(yīng)用10 min、小時(shí)、月份、年平均的風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行風(fēng)速的垂直外推,論證了風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算與時(shí)間尺度的大小有關(guān);李鵬等[7]人論述了風(fēng)切變指數(shù)與下墊面的地形和粗糙度關(guān)系密切。本文在全面分析風(fēng)切變綜合影響因素的基礎(chǔ)上,通過兩種常用的風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法垂直外推某一高度的時(shí)序風(fēng)速,并與實(shí)測風(fēng)速及各自對應(yīng)的單機(jī)發(fā)電量進(jìn)行偏差對比,以此判斷兩種方法的優(yōu)劣。

1 風(fēng)切變的影響因素分析

造成風(fēng)在近地層中隨高度變化的原因有動力和熱力這兩個(gè)因素。前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng),即地面的粗糙度,以及地形影響,后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣熱穩(wěn)定度的關(guān)系[8]。

通常地表粗糙度越大,風(fēng)切變指數(shù)也越大。例如建筑物密集的城市和森林,近地面高度對風(fēng)的減速效應(yīng)顯著,導(dǎo)致近地面風(fēng)速較低,呈現(xiàn)出風(fēng)切變指數(shù)大的特征,而開闊的水面正好相反[9]。因不同方向上地表植被不同,以及地表植被隨季節(jié)的周期性變化,風(fēng)切變指數(shù)隨方向和季節(jié)而變化。當(dāng)大氣層結(jié)為中性穩(wěn)定條件時(shí),湍流將完全依靠動力原因來發(fā)展,這時(shí)風(fēng)速隨高度z的變化服從普朗特經(jīng)驗(yàn)公式[10]:

(3)

(4)

式(3)和式(4)中,u*表示為摩擦速度,m/s;k表示為馮卡門常數(shù),k=0.4;τ表示為地面剪切應(yīng)力,N/m2;ρ表示為空氣密度,kg/m3;z0表示為地表粗糙度,m。

在山地風(fēng)電場中,風(fēng)切變受地形影響較為明顯。山地場址的風(fēng)切變往往較小,甚至出現(xiàn)負(fù)切變。因?yàn)楫?dāng)氣流通過山頂位置時(shí),下層的氣流受到明顯的擠壓,根據(jù)通量守恒,下層氣流加速效應(yīng)大于上層氣流,導(dǎo)致整體的風(fēng)切變指數(shù)變小。當(dāng)下層氣流的加速效應(yīng)顯著時(shí),而上層加速效應(yīng)較弱或沒有時(shí),就會出現(xiàn)負(fù)切變[9]。

在不同的大氣熱穩(wěn)定度下,會有不同的風(fēng)切變指數(shù)。在不穩(wěn)定的大氣條件下,風(fēng)切變指數(shù)較小,在穩(wěn)定的大氣條件下,風(fēng)切變指數(shù)較大。出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)大氣不穩(wěn)定的時(shí)候,上下層大氣混合增強(qiáng),氣流上下交互較為頻繁,導(dǎo)致上下層風(fēng)速差異變小,總體表現(xiàn)為風(fēng)切變較小[11-12],而在穩(wěn)定大氣條件下情況正好相反。圖1為某測風(fēng)塔位置全年的風(fēng)切變指數(shù)和氣溫日變化曲線,白天地表受陽光加熱影響,氣溫升高,近地層大氣變得不穩(wěn)定,上下層氣流交互加劇,各層高度風(fēng)速差異變小,風(fēng)切變較?。欢谝归g,地表溫度降低,大氣變得穩(wěn)定,上下層氣流交互減弱,風(fēng)切變增大。

圖1 測風(fēng)塔位置全年的風(fēng)切變指數(shù)和氣溫日變化曲線

粗糙度和地形是導(dǎo)致風(fēng)切變產(chǎn)生的空間因素,在較大的時(shí)間尺度上(如季度)對風(fēng)切變的影響相對固定;而大氣熱穩(wěn)定度對風(fēng)切變的影響表現(xiàn)為在小尺度時(shí)間上的動態(tài)變化的過程。因此,風(fēng)切變的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果,要想科學(xué)合理的評估風(fēng)切變,就不能忽視其隨時(shí)間和空間變化的關(guān)系。

2 兩種常用的風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法對比分析

工程中常用兩種風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行風(fēng)速的垂直外推,第一種是依據(jù)每個(gè)時(shí)間步長的風(fēng)速計(jì)算時(shí)序風(fēng)切變指數(shù),通常測風(fēng)數(shù)據(jù)為逐10 min的時(shí)間序列,全年會計(jì)算出52 560個(gè)風(fēng)切變指數(shù)。時(shí)序風(fēng)切變指數(shù)考慮了其在10 min時(shí)間尺度上受大氣熱穩(wěn)定度動態(tài)變化的影響,另外,10 min內(nèi)風(fēng)向相對穩(wěn)定,也即考慮了該風(fēng)向上對應(yīng)的地形和粗糙度的影響。第二種是依據(jù)幾個(gè)不同高度的全扇區(qū)平均風(fēng)速計(jì)算出1個(gè)風(fēng)切變指數(shù);或者根據(jù)各風(fēng)向扇區(qū)的平均風(fēng)速計(jì)算出12個(gè)或16個(gè)不同風(fēng)向扇區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)。這種方法計(jì)算出的風(fēng)切變指數(shù)雖然也考慮了大氣熱穩(wěn)定度的影響,但在計(jì)算平均風(fēng)速時(shí),該影響在整個(gè)測風(fēng)時(shí)長內(nèi)也一同被平均了。分扇區(qū)計(jì)算的風(fēng)切變指數(shù)考慮了不同方向上地形和粗糙度的影響,但未考慮地表植被隨時(shí)間的周期性變化。為便于描述,將這兩種方法分別稱為時(shí)序風(fēng)切變法和扇區(qū)平均風(fēng)切變法。

下面通過一個(gè)實(shí)例說明應(yīng)用上述兩種風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行風(fēng)速垂直外推時(shí)的優(yōu)劣。首先針對同一個(gè)測風(fēng)塔數(shù)據(jù),應(yīng)用上述兩種方法分別計(jì)算風(fēng)切變指數(shù),然后根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)與冪律公式(1)垂直外推出已測的某一高度的風(fēng)速,再將其與實(shí)測風(fēng)速及各自對應(yīng)的發(fā)電量進(jìn)行對比分析。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和介紹

在我國中東部的丘陵地帶選取一個(gè)測風(fēng)塔M,該測風(fēng)塔風(fēng)速儀安裝高度分別為30 m、50 m、70 m、80 m、90 m、100 m和120 m處,風(fēng)向儀安裝高度為120 m。依據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》(GB/T 18710-2002)中規(guī)定的方法對2018年全年逐10 min共計(jì)52 560個(gè)測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和處理后,有效數(shù)據(jù)完整率為99.0%,滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的風(fēng)能資源評估要求。設(shè)定120 m為垂直外推和實(shí)測風(fēng)速的對比高度,考慮到30 m和50 m距離分析高度120 m較遠(yuǎn),計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)時(shí)不考慮這兩個(gè)高度,最終使用70 m、80 m、90 m和100 m處高度的測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)。

表1為測風(fēng)塔M處全年的風(fēng)切變指數(shù)日變化情況,該位置的風(fēng)切變指數(shù)隨時(shí)間變化顯著,最大值為0.532,最小值為0.121,分別發(fā)生在子夜和正午。表2為測風(fēng)塔M處的全年風(fēng)切變指數(shù)隨方向的變化情況,風(fēng)切變指數(shù)隨方向變化明顯,最大值和最小值分別為0.544和0.243,分別發(fā)生在SSE和NE扇區(qū)。測風(fēng)塔M處全年的風(fēng)切變指數(shù)方向玫瑰圖如圖2所示。

表1 測風(fēng)塔M處全年的風(fēng)切變指數(shù)日變化情況

圖2 測風(fēng)塔M處全年的風(fēng)切變指數(shù)方向玫瑰圖

表2 測風(fēng)塔M處全年的風(fēng)切變指數(shù)隨方向的變化情況

2.2 風(fēng)速對比分析

按照前面介紹的兩種方法分別計(jì)算風(fēng)切變指數(shù),再根據(jù)實(shí)測的100 m時(shí)序風(fēng)速和風(fēng)切變冪律公式(1)垂直外推出兩套120 m高度的時(shí)序風(fēng)速數(shù)據(jù)。由于風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速一般在3 m/s以上,并且風(fēng)速較低時(shí),風(fēng)速受湍流影響嚴(yán)重,表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此在分析時(shí),去除掉3 m/s以下的小風(fēng)速段。推算的120 m風(fēng)速頻率分布對比見表3,推算的120 m風(fēng)頻偏差如圖3所示,從中可以看出,使用基于時(shí)序風(fēng)切變法推算的120 m風(fēng)頻分布更接近實(shí)測情況,其風(fēng)頻偏差明顯小于扇區(qū)平均風(fēng)切變法。此外,從圖3的風(fēng)頻偏差對比可以看出,當(dāng)風(fēng)速在11.5 m/s以上時(shí),即在大風(fēng)速區(qū)間,使用兩種方法推算的風(fēng)速的風(fēng)頻偏差趨于穩(wěn)定,偏差都接近于零;當(dāng)風(fēng)速小于11.5 m/s時(shí),兩種方法推算的結(jié)果都存在一定程度的偏差。

圖3 推算的120 m風(fēng)頻偏差

表3 推算的120 m風(fēng)速頻率分布對比表

2.3 年發(fā)電量對比分析

使用垂直外推出的120 m時(shí)序風(fēng)速計(jì)算單機(jī)年發(fā)電量,將其與實(shí)測的120 m風(fēng)速計(jì)算的單機(jī)年發(fā)電量進(jìn)行對比分析。計(jì)算時(shí)選用低風(fēng)速機(jī)型WTG 164-3.3MW,采用該機(jī)型在場址相應(yīng)空氣密度下的動態(tài)功率曲線、并取相同的綜合折減系數(shù)75%進(jìn)行計(jì)算。年發(fā)電量對比及其相對偏差見表4,應(yīng)用基于時(shí)序風(fēng)切變法計(jì)算的年發(fā)電量偏差較小,更接近實(shí)測風(fēng)速計(jì)算的年發(fā)電量。

表4 年發(fā)電量對比表及其相對偏差

3 結(jié)語

1)風(fēng)切變指數(shù)受地表粗糙度、地形和近地層大氣熱穩(wěn)定度因素的綜合影響,隨時(shí)間和空間的改變而動態(tài)變化。

2)通過對推算風(fēng)速的頻率分布及其對應(yīng)的發(fā)電量進(jìn)行偏差分析可知,因時(shí)序風(fēng)切變法較全面地考慮了風(fēng)切變的影響因素,其推算的準(zhǔn)確性優(yōu)于扇區(qū)平均風(fēng)切變法,其計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況。

3)在大風(fēng)速區(qū)間,使用兩種方法推算出的風(fēng)速,其偏差趨于穩(wěn)定,偏差都接近于零;而在小風(fēng)速區(qū)間,使用兩種方法推算的結(jié)果都存在一定程度的偏差。

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