地形粗糙度線范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算的影響

彭秀芳，李劍鋒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

1 概述

近年來(lái)，世界風(fēng)電裝機(jī)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，以年均近30%的幅度增長(zhǎng)，據(jù)世界風(fēng)能理事會(huì)初步統(tǒng)計(jì)，2009年全球新增吊裝風(fēng)電機(jī)組容量約3747萬(wàn)kW。我國(guó)風(fēng)電建設(shè)快速發(fā)展，裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率達(dá)到70%以上。到2011年底，全國(guó)并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5159萬(wàn)kW，占總裝機(jī)容量的4.89%，其中，并網(wǎng)風(fēng)電4505.11萬(wàn)kW，約占并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機(jī)的87.33% 。

眾所周知，風(fēng)況是影響風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。風(fēng)能資源的測(cè)量與評(píng)估是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)成敗的關(guān)鍵所在。因此，如何可靠地測(cè)量與預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)資源情況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益是非常關(guān)鍵的。粗糙度是影響風(fēng)能評(píng)估的一個(gè)重要參數(shù)，在文章[2]中提到粗糙度的取值，提出了我國(guó)東部沿海風(fēng)電場(chǎng)粗糙度取值的大小的合理性，文章[3]中講述了海上粗糙度取值的計(jì)算方法，手冊(cè)[4]中對(duì)不同地形條件的粗糙度進(jìn)行分類賦值。但很少有文章提到粗糙線所覆蓋范圍大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)推求風(fēng)速、發(fā)電量等因素的影響，在實(shí)際工程運(yùn)用中也往往被忽視，本文將以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)工程為例，分析粗糙線范圍的大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、尾流和發(fā)電量的影響。

2 研究方法

WAsP軟件是預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量最成熟的軟件之一，在測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定的前提下，粗糙度線位置和賦值大小是推求風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)能資源的主要影響因素。本文的研究方法是在粗糙度長(zhǎng)度取值確定的情況下，改變粗糙度線的覆蓋范圍(長(zhǎng)短)，來(lái)分析不同的粗糙度線的覆蓋范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速、尾流和發(fā)電量的影響。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

本風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址沿岸線布置，場(chǎng)址范圍南北長(zhǎng)約9km，東西寬約2km，規(guī)劃容量為49.5MW，推薦安裝單機(jī)容量1500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)。

該風(fēng)電場(chǎng)外為海域，為了評(píng)估該場(chǎng)址的風(fēng)能資源和計(jì)算發(fā)電量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在該場(chǎng)址內(nèi)設(shè)置兩條粗糙度線，粗糙度線的不同范圍見(jiàn)圖1、圖2，小范圍用方案一、大范圍用方案二表示。方案一、方案二粗糙度線覆蓋范圍見(jiàn)圖1、圖2，從圖上可以看出，方案二中第一條粗糙度線明顯比方案一的范圍大，東西方向大3km左右，南北方向大5km左右。下面將詳細(xì)分析粗糙度線覆蓋范圍的大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、尾流和發(fā)電量的影響。

圖1 方案一粗糙度線及其范圍

圖2 方案二粗糙度線及其范圍

3.2 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的影響

為了對(duì)比方案一和方案二中不同粗糙度線范圍對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響，在WAsP軟件中輸入風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)機(jī)參數(shù)、風(fēng)機(jī)位置坐標(biāo)，并分別導(dǎo)入方案一和方案二的地形圖，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同粗糙線范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果的影響(單位：m/s)

(續(xù))

從表1中可以看出粗糙度線范圍的增大對(duì)1#、2#、3#、31#、32#和33#風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)速影響較大，風(fēng)電場(chǎng)粗糙度線范圍增大后，這些風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)速減小0.2m/s左右。該風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位于風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)址的東北方向，且該風(fēng)電的主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，對(duì)照?qǐng)D1風(fēng)機(jī)布置圖，主要影響的也是東北方向上的風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)速。

3.3 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)尾流的影響

通過(guò)計(jì)算后，風(fēng)機(jī)的尾流影響見(jiàn)表2。

表2 不同粗糙線范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)尾流計(jì)算結(jié)果的影響(單位：%)

從表2中可以看出，擴(kuò)大粗糙度線范圍，各風(fēng)機(jī)的尾流都受到一定程度的影響，與3.2中風(fēng)速影響類似，東北方向的風(fēng)機(jī)尾流影響偏大，其中3＃風(fēng)機(jī)尾流影響最大，從8.50%增加到9.30%，增幅0.8%；其次是2＃風(fēng)機(jī)，尾流從8.27%到8.87%，增幅0.6%，其余1＃、27＃、28＃、29＃、31＃、32＃和3#風(fēng)機(jī)尾流都有較大的提高。整體平均尾流增加2.4%。

3.4 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)發(fā)電量的影響

風(fēng)電場(chǎng)粗糙度線增大范圍之后，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量的影響見(jiàn)表3。

表3 不同粗糙線范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)發(fā)電量計(jì)算結(jié)果的影響(單位：萬(wàn)kWh)

從表3中可以看出，風(fēng)電場(chǎng)粗糙度線范圍增大后，風(fēng)機(jī)發(fā)電量基本有所下降，平均發(fā)電量從428.0萬(wàn)kWh降到419.6萬(wàn)kWh，降幅2%，但有部分風(fēng)機(jī)發(fā)電量的影響會(huì)大些，1#風(fēng)機(jī)發(fā)電量從446.2萬(wàn)kWh降到423.6萬(wàn)kWh，降幅5.3%；2#風(fēng)機(jī)發(fā)電量從440.6萬(wàn)kWh降到420.8萬(wàn)kWh，降幅4.7%；3#風(fēng)機(jī)發(fā)電量從437.6萬(wàn)kWh降到415.0萬(wàn)kWh，降幅5.4%；31#、32#、33#的降幅分別為4.0%、4.5%、4.7%。

3.5 確定較合適的粗糙度線范圍

通過(guò)以上對(duì)兩種不同粗糙度線方案下的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、尾流和發(fā)電量計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以看出粗糙度線的設(shè)定對(duì)風(fēng)場(chǎng)各要素的計(jì)算結(jié)果有較大影響，擬定合理的粗糙度線范圍對(duì)合理評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能至關(guān)重要。為了詳細(xì)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)粗糙度線設(shè)置的敏感程度，下面將粗糙度最邊緣點(diǎn)到風(fēng)電場(chǎng)邊界距離按0、1000m、2000m、3000m、4000m和5000m的不同距離設(shè)置并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。取最為典型的1#、2#和3#風(fēng)機(jī)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同邊界距離方案計(jì)算結(jié)果變化百分比(相對(duì)0m距離邊界的計(jì)算結(jié)果) 單位：%

從表4可以看出隨著粗糙度線范圍的增大，對(duì)風(fēng)速、尾流、發(fā)電量的影響也越大，但是當(dāng)距離超過(guò)3000m時(shí)，影響的速度逐漸減慢，如1#風(fēng)機(jī)在4000m和5000m距離時(shí)影響值幾乎一致。因此，在此地形條件下，當(dāng)粗糙度線范圍距離風(fēng)電場(chǎng)邊界3000m以上時(shí)，粗糙度線范圍繼續(xù)增大，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各因素的影響可以忽略。

4 結(jié)論

在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估中，粗糙度是影響其準(zhǔn)確性的重要因素之一。通過(guò)上面風(fēng)電場(chǎng)不同粗糙度線范圍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)機(jī)尾流和發(fā)電量的影響的對(duì)比，可以看出粗糙度線范圍不同對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源的評(píng)估是影響較大的，這也可以體現(xiàn)出風(fēng)電場(chǎng)范圍附近的地形條件對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)的影響是不能忽視的，因此在評(píng)估一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資料時(shí)，盡量先考察一下場(chǎng)址附近的地形條件。此外，本文中的計(jì)算結(jié)果是基于較為平坦的沿海地形，對(duì)于其他不同類型的地形條件，文中的結(jié)果是否適用，需要進(jìn)一步的研究。

[1]2009年度中國(guó)風(fēng)電建設(shè)成果統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R].北京：中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，2010.

[2]潘沛，宋強(qiáng)，程海鋒.我國(guó)東部沿海風(fēng)電場(chǎng)的粗糙度長(zhǎng)度取值[J].能源科技，2009，30(增刊).

[3]過(guò)節(jié)，等.太平洋海面粗糙度的計(jì)算及波長(zhǎng)的提取[J].海洋湖沼通報(bào)，2007(1).

[4]宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]中國(guó)新能源發(fā)電發(fā)展研究報(bào)告[R].北京：中電聯(lián)，2012.