測(cè)風(fēng)塔在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估中的重要性和代表性

杜 云，黎發(fā)貴，胡 榮，呂艷軍

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

風(fēng)能是清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)成熟、具備規(guī)模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，大力開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源，對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少化石能源資源消耗、緩解能源和環(huán)境壓力、促進(jìn)節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源短缺及節(jié)能等問(wèn)題的日益關(guān)注和重視，認(rèn)為開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源是減少空氣污染、減少有害氣體排放的有效措施之一，風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用得到了大力發(fā)展。而風(fēng)能資源評(píng)估是風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用的首要環(huán)節(jié)，也是風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目投資成敗的關(guān)鍵。在我國(guó)，除了部分沿海和內(nèi)陸的平原地區(qū)外，大部分風(fēng)電場(chǎng)都處于地形復(fù)雜的山區(qū)，在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的風(fēng)能資源評(píng)估往往存在較大的困難。近年來(lái)，適用于復(fù)雜地形風(fēng)能資源評(píng)估的軟件主要有WT和WindSim軟件，此軟件以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為核心，可根據(jù)地形、粗糙度和熱穩(wěn)定度等參數(shù)的輸入求解出風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域三維空間內(nèi)任一點(diǎn)的風(fēng)流及風(fēng)資源情況[1]。但由于復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能形成原因和特征眾多，采用WT或者WindSim軟件進(jìn)行風(fēng)能資源模擬時(shí)，仍具有較大的不確定性和局限性。本文以2個(gè)典型復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)為例，闡述測(cè)風(fēng)塔在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的重要性，并提出根據(jù)地形條件設(shè)立適當(dāng)數(shù)量具有代表性的測(cè)風(fēng)塔是提高復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估準(zhǔn)確性的有效措施。

1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔布設(shè)原則及步驟

在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，測(cè)風(fēng)塔的代表性是指測(cè)風(fēng)塔處的風(fēng)況所能代表區(qū)域范圍的大小。由于地形較為復(fù)雜，測(cè)風(fēng)塔處的風(fēng)況能代表的區(qū)域范圍往往有限，在場(chǎng)區(qū)只設(shè)立1座測(cè)風(fēng)塔難以探索清楚場(chǎng)區(qū)的風(fēng)資源分布情況，需要設(shè)立多座測(cè)風(fēng)塔才能模擬出較為準(zhǔn)確的風(fēng)資源分布。為節(jié)約項(xiàng)目前期投資和提高風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性，在設(shè)立測(cè)風(fēng)塔前應(yīng)仔細(xì)、綜合考慮每個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)的代表性；其布設(shè)宜參考以下原則和步驟，可有效提高測(cè)風(fēng)塔的代表性。

1.1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔布設(shè)原則

(1)測(cè)風(fēng)塔宜布設(shè)在山脊處，且宜在主風(fēng)向的上風(fēng)向位置，周邊應(yīng)開(kāi)闊、無(wú)山體遮擋、無(wú)高大障礙物等[2]。

(2)測(cè)風(fēng)塔不宜只布設(shè)在場(chǎng)區(qū)海拔高程最高處或最低處，宜選在場(chǎng)區(qū)海拔高程較高處[3]，對(duì)于開(kāi)發(fā)范圍較大的風(fēng)電場(chǎng)，宜在風(fēng)資源可能最好的地點(diǎn)和風(fēng)資源可利用的下限區(qū)域均布設(shè)測(cè)風(fēng)塔[4]。

(3)所選測(cè)風(fēng)塔處的地形宜盡可能地與風(fēng)電場(chǎng)大多數(shù)擬布機(jī)位點(diǎn)處的地形相似[5]。宜在山脈走向發(fā)生改變的山脊上以及在山脊周邊環(huán)境發(fā)生改變的地方布設(shè)測(cè)風(fēng)塔[4]；應(yīng)避免在殊地形處(如狹管地形、迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、臺(tái)升地形等)布設(shè)測(cè)風(fēng)塔。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔布設(shè)步驟

(1)采用STRM地形圖和中尺度風(fēng)數(shù)據(jù)，通過(guò)專業(yè)的風(fēng)能資源評(píng)估軟件，對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)范圍進(jìn)行風(fēng)能資源模擬[6]。

(2)根據(jù)模擬的場(chǎng)區(qū)風(fēng)能資源分布圖和初步擬定的裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的初步布置。

(3)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)初步的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位布置和場(chǎng)區(qū)地形，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行分區(qū)，在每個(gè)分區(qū)區(qū)域內(nèi)至少設(shè)立1座測(cè)風(fēng)塔。在分區(qū)時(shí)應(yīng)注意：同一分區(qū)內(nèi)地形變化幅度應(yīng)較小，同一分區(qū)內(nèi)山脊走向應(yīng)基本相同，分段的山脊不宜劃分為同一分區(qū)[1]。

2 工程實(shí)例分析

貴州省內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)絕大多數(shù)屬于復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，下面以2個(gè)典型的貴州復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)為例，簡(jiǎn)要闡述測(cè)風(fēng)塔在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的重要性，以引起相關(guān)各方的足夠重視。

2.1 A風(fēng)電場(chǎng)

A風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)由多條東北-西南走向的山梁組成，場(chǎng)址面積約40 km2；場(chǎng)區(qū)沖溝、水系較發(fā)育，場(chǎng)區(qū)海拔高程在1 300～1 700 m之間，相對(duì)高差較大，地形較為復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)。

在該風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，前期項(xiàng)目業(yè)主僅設(shè)立了1座測(cè)風(fēng)塔(3號(hào)塔)，根據(jù)該測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)模擬出的整個(gè)場(chǎng)區(qū)的風(fēng)能資源均較好。因山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜性，為降低工程投資風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)院建議業(yè)主單位在場(chǎng)區(qū)增補(bǔ)了3座測(cè)風(fēng)塔。后期設(shè)計(jì)院根據(jù)場(chǎng)區(qū)4座測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源復(fù)核，經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)區(qū)大部分區(qū)域的風(fēng)能資源與前期成果差異較大，從前后風(fēng)能資源分布圖可看出，除原3號(hào)測(cè)風(fēng)塔所在區(qū)域的風(fēng)能資源相差不大外，其余區(qū)域的風(fēng)能資源均存較大差異，尤以B區(qū)和D區(qū)的差異最大。由此可見(jiàn)，復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)由于受地形影響，測(cè)風(fēng)塔所能代表的區(qū)域范圍十分有限；因此，若想較準(zhǔn)確地弄清復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源分布，從而提高風(fēng)能資源評(píng)估成果的可靠性，在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域設(shè)立足夠數(shù)量的測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行測(cè)風(fēng)是十分必要的。

表1 A風(fēng)電場(chǎng)各測(cè)風(fēng)塔高程及年平均風(fēng)速

圖1 A風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位置示意

圖2 A風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源模擬結(jié)果對(duì)比

2.2 B風(fēng)電場(chǎng)

B風(fēng)電場(chǎng)總體由2條山脊組成，外形像“人”字形，場(chǎng)址面積約15 km2，場(chǎng)區(qū)沖溝發(fā)育強(qiáng)烈，場(chǎng)區(qū)海拔高程在1 500 m～1 850 m之間，相對(duì)高差較大，地形較為復(fù)雜，也是一個(gè)復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)。

該風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E，從地形和主導(dǎo)風(fēng)向可初步判斷場(chǎng)區(qū)中部靠西區(qū)域?yàn)轱L(fēng)加速區(qū)域。在該風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域，前期業(yè)主單位僅在風(fēng)加速區(qū)設(shè)立了1座測(cè)風(fēng)塔(2號(hào)塔)，經(jīng)測(cè)量，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速較大，用該測(cè)風(fēng)塔模擬出全場(chǎng)的風(fēng)能資源較為豐富。由于山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜性，為降低工程投資風(fēng)險(xiǎn)，業(yè)主單位根據(jù)設(shè)計(jì)院和專家建議在場(chǎng)區(qū)增補(bǔ)了3座測(cè)風(fēng)塔對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行加密測(cè)風(fēng)并進(jìn)行風(fēng)能資源復(fù)核。其后，根據(jù)場(chǎng)區(qū)加密測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了風(fēng)能資源復(fù)核，經(jīng)復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源分布與前期評(píng)估的成果差異非常大，2號(hào)測(cè)風(fēng)塔1 km外的風(fēng)能資源基本不可靠。由此可見(jiàn)，特殊地形區(qū)的測(cè)風(fēng)塔不可作為代表性測(cè)風(fēng)塔用于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源評(píng)估。

表2 B風(fēng)電場(chǎng)各測(cè)風(fēng)塔高程及年平均風(fēng)速表

圖3 B風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位置示意

圖4 B風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源模擬結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的分析可以看出，復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)由于地形復(fù)雜，地形對(duì)風(fēng)能資源的分布影響較大，測(cè)風(fēng)塔的數(shù)量及其代表性是影響其風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估準(zhǔn)確性的重要因素，決定著風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性；同時(shí)，對(duì)于山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，由于受地形影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)各區(qū)域的成風(fēng)條件存在較大差異，一些特殊地形(如狹管地形、迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、臺(tái)升地形等)處的測(cè)風(fēng)塔是無(wú)法反映其他區(qū)域風(fēng)能資源狀況的，特殊地形區(qū)的測(cè)風(fēng)塔不宜作為風(fēng)電場(chǎng)的代表性測(cè)風(fēng)塔。因此，對(duì)于在復(fù)雜山區(qū)進(jìn)行風(fēng)電開(kāi)發(fā)時(shí)，相關(guān)各方應(yīng)高度重視測(cè)風(fēng)塔對(duì)山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的重要性，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)地形條件，在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域設(shè)立足夠數(shù)量且具有代表性的測(cè)風(fēng)塔是確保復(fù)雜山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估準(zhǔn)確性的有效措施，也是確保項(xiàng)目投資成敗的關(guān)鍵。