河南地區風切變指數的空間變化分析

高 勇

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河南地區風切變指數的空間變化分析

高 勇

（特變電工新疆新能源股份有限公司，陜西 西安 710119）

采用河南地區16座測風塔數據對河南地區風切變指數的空間變化進行分析，并將河南地區風切變指數的空間變化應用于風電場建設中。

測風塔；風切變；風電項目；風電場

受低空探測條件的制約，目前，關于我國部分省份全范圍內不同地形條件風切變指數時空變化還鮮有研究。2017年，河南省并網風電裝機累計達到2.6×106kW，預計2020年可再生能源發電裝機所占比例提高到15%以上。2017年，河南省研究出臺規范風電項目建設管理意見，加快山地風電場建設，穩妥推進低風速平原風電示范。河南省的風能資源開發推動了風能資源觀測。通過近兩年對河南地區的資源開發，收集到河南地區近16座測風塔。

本文整理和分析河南地區近16座測風塔數據，對河南地區不同地形條件風切變指數空間變化進行了研究，著重分析我國不同地形條件風切變指數的空間分布情況，并對實測風切變指數在風電場建設的應用進行淺析。

1 資料來源

測風塔具體位置和海拔高度如表1所示。

表1 測風塔具體位置和海拔高度

本文所采用數據資料為16座測風塔數據。測風儀器型號為NRG和Secondwind，均經過測風儀器標定，測風塔高度為80～150 m，近15個測風塔高度為80～150 m，觀測高度為10 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、140 m、150 m，觀測項目為最大、最小、平均風速，最大、最小、平均風向。大多數測風塔在距地面10 m處安裝氣溫及氣壓表等。本文主要關注風速與高度變化關系。

2 研究方法

根據氣象學對大氣邊界層的定義，本文中所涉及的測風塔數據高度均在近地面層，此層中湍流應力超過分子粘性力，氣壓梯度力和科氏力達到平衡，大氣結構依賴垂直方向的湍流輸送，即動量、熱量和水汽的垂直輸送。

2.1 風切變指數的影響因素

風切變指數受大氣穩定性的影響嚴重，在中性（neutral）、穩定（stable）與不穩定（unstable）等不同大氣條件下，風廓線的變化很大。此時，需要考慮大氣穩定性的影響，應對數律公式進行大氣穩定性的修正，修正后的表達式為：

式（1）中：為與大氣穩定性相關的函數，不穩定條件時為正值，穩定條件時為負值，中性條件時為0.

大氣穩定性可以采用Richardson數來描述，其表達式為：

式（2）中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；為計算層的平均溫度，K；為在高度處的溫度；為在高度的風速。

一般至少需要2個不同高度的溫度值和風速來計算溫差和風速差。大氣穩定性一般可以按Richardson數分為非常穩定、穩定、中性穩定、不穩定、非常不穩定等5類。

風切變指數受地面粗糙度以及地形的影響，不同地區的風切變指數是不同的，受大氣穩定性的影響，即使同一地區在不同時間段內的風切變指數也是不同的。河南地區STRM地形圖如圖1所示。

圖1 河南地區STRM地形圖

2.2 風切變指數的計算

風切變指數計算有2種計算過程，具體如下：①利用不同時間段的風速計算風切變指數，比如利用年平均風速、月風速、時點風速可以計算出風切變指數年均值、月變化、日變化值；②利用風廓線擬合方法可推算出系列風速和對應髙度的風切變指數。

為了更全面地掌握全風速段風切變指數規律，本文計算風切變指數采用全速段風切變指數，利用不同時間段的風速計算風切變指數。

2.3 Arcgis繪圖

風切變指數的空間變化特征主要指測風塔全年各高度風切變指數的年平均值空間分布，本文選擇50 m、80 m、100 m、120 m的風切變指數年平均值進行Arcgis繪圖，得到50～80 m、80～100 m、100～120 m的風切變指數空間分布圖，本文Arcgis底圖來自1∶250 000國家地圖數據、國家基礎地理信息中心，采用反距離加權法（Inverse Distance Weighted）。反距離加權法是一種常用的空間插值方法，即兩物體相似性隨兩者間距增大而減少，此種方法簡單易行、直觀、效率高，在已知點分布均勻情況下插值效果好，但缺點是易受極值的影響。

3 河南地區風切變指數空間變化分析

本文根據對16個測風塔測風數據統計分析，并選取各高層間樣本數量大于70的高度層數據樣本，這些數據樣本分別為50 m、80 m、100 m、120 m風速，通過Arcgis繪制這些高度組合的風切變指數年均值空間分布圖。

根據統計研究結果，河南風切指數的變化范圍為0～0.529，根據風切變指數范圍，結合國際對于風切變指數大小的定義，即1/7定義為適中，把低空風切變指數等級分為5個等級，具體如表2所示。

根據本文定義的風切變指數等級繪制出中國離地面50～80 m、80～100 m、100～120 m的風切變指數分布圖，因本文中測風塔均距離大中城市較遠，不能作為大中城市區域風切變指數分布圖參考，具體如圖2所示。

表2 風切變指數等級表

風切變指數年均值空間分布圖

由圖2可知，1829#為東部山地測風塔，8211#和8434#為東部丘陵測風塔，其余測風塔均為河南平原地區測風塔。從風切變指數分布結合河南地形，河南地區山地以及丘陵風切變指數較小，風切變指數分布在0～0.1和0.1～0.2之間，中部平原以及東部平原地區風切變指數較大，分切變指數分布在0.2以上。

4 風切變指數空間變化的應用淺析

研究結果表明，河南地區風切指數年均值的變化范圍為0～0.529，分析樣本測風塔50～80 m、80～100 m、100～120 m的風切變指數，均以0.3以上所占比例最多，為32%～35%；0.2～0.3所占比例次之，為28%～32%；0.1～0.2所占比例居中，為25%～28%；小于0.1所占比例較少，為5%～15%.

風電場項目建設時，經濟效益的影響因素有風能資源、項目總投資、電場運行成本、電價，通過提高風能源的利用效率，降低項目的投資成本以及整體的運行成本，可獲得較好的經濟效益。一般情況下，風速隨著高度的增加而增大，發電量也會在一定程度上得到提高，但輪轂高度越高，風電場產生的電能也越多，但工程整體的投資也會增加，且施工難度會增大。因此，在風電場建設過程中，轂輪的高度應該依據實際情況選擇，保證其合理性，才能達到資源利用效果及風電場效益最大化。在投資相同的情況下，電量增加越多，其財務內部收益率越好，即風電場風切變越大，增加風電機組的輪轂高度所獲得的效益越大。

風力發電機組規范中正常風廓線模型（NWP）和極端風風切變指數取值為0.2，從統計情況看，大于0.2的風切變指數所占比例為60%～67%，還有很大比例地區不適合安裝按標準配置生產的風力發電機組，對這些地區應重點加以關注。由于各高度層的風切變指數較大，葉片的震動幅度較大，需要葉片能具備較大疲勞荷載，應充分考慮風切變指數大于常規風電機組設計標準帶來的荷載增大問題，在這些地區建設風電場時應對機組進行差異化設計，不宜采用標準設計，比如己經建設的風電場應加強荷載驗算和檢查，并開展荷載優化和調整工作，以延長機組壽命，保證機組安全。

此外，在荷載驗算時，輸入的風切變指數會對荷載驗算產生較大影響，對于地形差異較大、地表植被季節變化、沿海和沿湖區域風電場應加密測風塔，以獲取更多實測數據對荷載進行多次校驗，以免因荷載計算結果不能反映風電場實際荷載而產生風電機組選型失誤或引起安全事故。

5 總結

河南地區山地以及丘陵風切變指數較小，風切變指數分布在0～0.1以及0.1～0.2之間，中部平原以及東部平原地區風切變指數較大，分切變指數分布在0.2以上。南地區風切指數年均值的變化范圍為0～0.529，分析樣本測風塔 50～80 m、80～100 m、100～120 m風切變指數，均以0.3以上所占比例最多，為32%～35%；0.2～0.3所占比例次之，為28%～32%；0.1～0.2所占比例居中，為25%～28%；小于0.1所占比例較少，為5%～15%.

河南平原地區風切變較大，一般在0.2以上，建議增加風電機組的輪轂高度以獲得更多的收益，同時需要注意風切變較大，造成的風機荷載增大所帶來安全風險。

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TM614

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.070

2095－6835（2018）22－0070－03

〔編輯：張思楠〕