淺談WindSim軟件在復雜地形條件下測風塔選址中的應用

文 | 朱鳳霞

淺談WindSim軟件在復雜地形條件下測風塔選址中的應用

文 | 朱鳳霞

測風塔的代表性，對于風電場風能資源評估、發電量估算都具有重要意義。選擇合適位置的測風塔才能準確評估一個區域內的風能資源狀況。測風數據10%的誤差可能導致風電場年產能30%左右的誤差。選擇一個較為準確及具有代表性的測風塔位置，其測風數據可以客觀詳實地反映區域內的風能狀況，是風電場建設取得良好經濟效益的關鍵；而一個不具有代表性的測風塔將夸大或縮小評估區域的風速和風功率密度，不能反映客觀事實，有可能因為建成的風電場達不到預期的發電量，造成巨大的經濟損失，或者因測風塔設立位置風況不好而放棄開發，浪費了人力物力資源。因此，選擇合適位置樹立測風塔、提高測風數據的準確性和代表性對風電場的開發具有非常重要的意義。

對于復雜地形的風電場，由于地形起伏大、變化多，風電場內的風能分布情況受眾多因素影響，加大了復雜地形區域測風塔選址的難度。鑒此，本文利用WindSim軟件進行規劃風電場風能資源模擬，綜合考慮風流參數，為復雜地形條件下的風電場選取不同數量的立塔點，并分析其代表性。

軟件介紹

WindSim軟件是由挪威WindSim AS 公司開發并擁有知識產權的風能資源評估軟件，是基于先進的CFD（計算流體力學）和邊界氣象學方法，全面模擬分析區域風資源特性，優化風電場設計的專業工具。采用CFD的方法進行空間風流模擬，完全求解三維Navier－Stokes方程，并應用適合的湍流模型及邊界條件對目標區域的風流特性參數進行求解計算。

已有研究表明，WindSim軟件對復雜地形條件下的風電場風能資源具有一定的模擬能力。

WindSim軟件計算內核為Phoenics軟件（Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series），適合于模擬風電場的流動。它使用CFD方法，將全場三維空間區域建立數學網格模型，假設適當的邊界條件，采用標準k－ξ模型求解雷諾平均納維－斯托克斯方程（N－S方程），主要方程為：

表1　規劃風電場周圍已有測風塔相關信息

其中ρ為空氣密度，ν為水平風速，μ為動力學分子粘性系數，k為常數。

相對于常規風能資源評估的線性模型軟件，WindSim可以計算氣流在三維方向上的變化；計算規劃風電場任何位置的湍流強度及入流角度、風速與風向在葉輪掃風面內的變化；計算規劃風電場任何位置的垂直風廓線、流線跟蹤、模擬測風。并且具有多個測風塔聯合計算的特點。WindSim軟件沒有對風速輪廓曲線做出任何假設，因此可以充分模擬到場址的負切變指數甚至漩渦流動，適用于復雜地形的風電場。

案例分析

廣東某山地風電場高程范圍為130m－850m，占地面積82km2，規劃建設規模為10MW。場內地形高程變化較大，主要為山地地形，原始地貌單元屬山地侵蝕地貌（丘陵及丘間溝谷等），大部分保留原始地貌，地形較復雜。場區內有零星基巖出露，山上普遍植被較繁茂。目前規劃風電場場區內沒有測風塔，規劃風電場周圍已有三座測風塔（A、B、C），測風塔海拔高度分別為275m、745m和414m，已有測風塔的相關信息見表1。已有測風塔與規劃風電場的相對位置如圖1所示。

A測風塔距離規劃風電場場址中心的距離為16km；B測風塔距離規劃風電場場址中心的距離為21km；C測風塔距離規劃風電場場址中心的距離為30km。

采用WindSim軟件，建立該區域的風資源模型，該模型可聯合A、B、C三座測風塔對大范圍區域進行風資源模擬，風資源模擬結果基于三座測風塔的測風結果，這樣，可以降低測風塔相距較遠、地形較復雜所引起的誤差。大范圍的風能資源圖如圖2所示。

為了準確評估規劃風電場的風能資源，需要在規劃風電場內樹立測風塔，獲得實測風速，根據GB/T 18709－2002《風電場風能資源測量方法》所選測量位置的風況應基本代表該風電場的風況；測量位置附近應無高大建筑物、樹木等障礙物，與單個障礙物距離應大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上；對于地形較為復雜的風電場，應選擇兩處及以上安裝測風設備。利用WindSim軟件選取3座擬立測風塔的位置。擬立測風塔的相對位置如圖3所示。

圖1　已有測風塔與擬建風電場相對位置

圖2　擬建風電場及周圍區域風能資源分布

圖3　擬立測風塔的相對位置

測風塔權重分析

規劃風電場選立3個測風塔點，為了分析所選測風塔點對復雜地形風電場整體代表性，需考慮每個測風塔對風電場區域的貢獻（即權重）。距離測風塔越近的位置，則該測風塔對其權重則越大，相反的，距離測風塔遠的位置，則該測風塔對其權重則越小。當測風塔個數較少時，在距離較遠處，測風塔對其權重過大，則無法準確評估離測風塔較遠區域的風能資源品質，引起較大誤差；當測風塔個數較多時，將會造成不必要的浪費

圖4－圖6為所選測風塔對整個區域的風資源模擬結果的貢獻（權重）。

在測風塔1和測風塔3的5km位置處，兩個測風塔對其風資源分析的影響權重各為50%；在測風塔2位置處，測風塔1對其風資源分析的影響權重為70%－80%，測風塔3僅對其貢獻20%－30%。這與實際工程中測風塔的有效代表范圍相近。從權重圖（圖4－圖6）可以看出，在規劃風電場區域內，測風塔1、測風塔2和測風塔3對規劃風電場各區域范圍有較好的權重影響，所選立測風速能較好的反映整個規范風電場的風能狀況，具有代表性。

圖4　測風塔1所代表的權重系數

圖5　測風塔2所代表的權重系數

圖6　測風塔3所代表的權重系數

測風塔位置的相關參數

在復雜地形條件下，地形的隆升和低凹變化對風的運動有很大的影響。在近地層中，由于受地面粗糙度的影響，風速隨著高度增加而增大，地面粗糙度越大，風垂直切變越大。

氣流通過障礙物時，障礙物下游會形成尾流擾動區，風速降低，同時產生湍流，在障礙物的上風向和其外側造成湍流渦動區。

用于風能資源評估的測風塔，在選址上必須綜合考慮風流參數定向計算的結果。入流角、風切變盡可能小的情況下，根據具體的地形選擇合適的位置。 利用WindSim軟件計算測風塔1、測風塔2和測風塔3處的風流參數如下表2所示。由表2可見，風切變和入流角較小，所選測風塔1、測風塔2和測風塔3處位置開闊，受下墊面地形及周圍障礙物影響較小，適合樹立測風塔。

表2　擬建測風塔處風流參數

總結

建設風電場，首先要對選定區域進行風能資源評估。用于風能資源評估的測風塔，在選址上必須考慮測風塔的代表性，且要綜合考慮風流參數。在入流角、風切變盡可能小的情況下，根據具體的地形條件選擇合適的具有一定代表性的位置。WindSim軟件對復雜地形區域具有一定的模擬能力，同時可以較為準確地計算出區域內的風流參數，為風電場前期選取測風塔位置提供較為可靠的依據，減少由于測風塔代表性不足而產生對風電場建設投資影響。通過WindSim軟件的模擬計算，可以得到場區初步的風能資源分布情況，然后根據分析結果選擇合適位置的測風塔點，更為準確地反映擬建風電場的風能資源狀況。

（作者單位：中水珠江規劃勘測設計有限公司）