西藏超高海拔地區風能資源特性分析

劉 志 遠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

按照國際上通行的海拔劃分標準[1]，3 500～5 500 m即為超高海拔。我國超高海拔地區主要分布在西藏的絕大部分地區、四川的涼山及甘孜地區、云南的滇西及滇西北地區等，其中西藏絕大部分地區海拔高度均在4 000 m以上。根據第四次全國風能資源普查成果，西藏超高海拔地區風能資源尤其豐富，全區風電技術可開發量超過千萬千瓦，主要集中在海拔4 800 m以上區域。在當前國內內陸風資源豐富區開發趨于飽和，可再生能源補貼退坡機制的背景下，豐富的風能資源帶來的超高發電小時數，可有效緩解開發企業在項目投資收益方面的壓力，未來廣闊的超高海拔地區勢必成為風能開發利用的一個重要區域。

但當前超高海拔地區風電開發整體仍處于滯后狀態。經調研，國內外5 000 m以上海拔高度風電開發尚處于空白；西藏目前僅有國電龍源那曲高海拔試驗風電場在役，裝機規模0.75萬kW，平均海拔高度約4 600 m，是國內已運行的最高海拔風電場。根據自治區“十三五”綜合能源發展規劃，計劃到2020年底，全區風電累計裝機規模達到20萬kW，遠未達到規劃目標。除了電網構架、負荷消納、開發成本等客觀因素之外，制約風電開發的最大瓶頸在于超高海拔風電機組技術。相比一般高海拔地區，超高海拔地區氣象條件更加復雜，通常具有“超低溫、大風速、低密度、負切變、強輻射、頻雷暴”等顯著特點，復雜的氣候氣象條件對風電機組的適用性提出了更高要求。除了設備本身對特殊環境的適應性，該類地區風資源獨有的特性研究對機組設備的研發也至關重要，直接影響機組能否充分捕捉風能資源，實現發電效益最大化。本文對西藏超高海拔地區風資源特性進行初步探究，為超高海拔機組研發提供一定的研究成果和參考依據，為該類地區風電大規模開發做好充足準備。

1 基礎數據

選取西藏地區已建成的12座代表測風塔實測數據為基礎數據，選取的測風塔分布于拉薩市、昌都市、山南市、日喀則市、那曲地區以及阿里地區，覆蓋海拔高度梯度范圍介于4 550～5 230 m之間，且1～12號測風塔海拔高度不斷增加。12座代表測風塔基本情況如表1所示，其選取原則如下：

(1)測風塔海拔高度梯度分布應基本能夠覆蓋超高海拔地區的研究范圍。

(2)測風塔地理位置分布應盡量覆蓋全區范圍，基本能夠反映全區情況。

(3)測風塔位置現場地形情況應具備風電開發條件，具有良好的代表性。

(4)測風塔最大測風高度不宜過低，接近風電機組輪轂高度最為適宜。

(5)測風塔實測數據質量良好，有效數據完整率應不低于95%。

表1 代表測風塔基本情況

圖1 代表測風塔地理位置分布示意

2 風資源特性分析

本節主要對該類風資源地區的空氣密度、風速和風功率密度、風和風能頻率分布、風切變、湍流強度、五十年一遇最大風速，這六大基本風況特征參數進行分析。

2.1 空氣密度

各代表測風塔平均空氣密度計算結果見圖2。分析可知，研究范圍內平均空氣密度基本介于0.686～0.733 kg/m3之間，平均空氣密度約為0.708 kg/m3，遠遠低于內陸其他地區空氣密度的平均水平，其主要原因是海拔較高、空氣稀薄。而常規風電機組穩定運行的動態功率曲線和推力系數曲線空氣密度范圍通常不低于0.800 kg/m3，從而導致常規機組在該類地區運行出現明顯的葉片失速現象，即機組難以按照額定功率運行，風能捕捉效果明顯降低，發電量大幅減少。

2.2 風速和風功率密度

各代表測風塔70 m及以上高度平均風速基本在6.0 m/s以上，風功率密度等級在2級及以上，風資源非常豐富。受大氣的斜壓性(熱成風)影響，基本上呈風速隨海拔增高而增加的趨勢。

從風速和風功率密度年內變化分析，小風月基本發生在4～9月，最小發生在8月左右；大風月基本發生在10月～次年3月，最大發生在1月左右，季節性變化明顯，呈冬春季風速大、夏秋季風速小的特點。從風速和風功率密度日內變化分析，6～12時，風速和風功率密度較小，10時左右達到最小值；16～22時，風速和風功率密度較大，17時左右達到最大值，個別出現在20時左右。年內和日內整體變化趨勢與內陸其他地區基本相同(如圖3、圖4所示)。

測風塔編號

圖3 代表測風塔最大測風高度平均風速和風功率密度年內變化曲線

圖4 代表測風塔最大測風高度平均風速和風功率密度日內變化曲線

2.3 風速和風能頻率分布

通過對各代表測風塔最大測風高度處風速(見圖5)和風能頻率分布(見圖6)進行分析發現，低于3.0 m/s風速段風速出現累計頻率約占全年9%～48%，且隨著海拔高度的增加而不斷減少；高于20.0 m/s風速段風能出現累計頻率約占全年0.01%～25%，且隨著海拔高度的增加而不斷增加。相比內陸其他地區，該類地區風能利用區間更加寬闊。通常情況下，常規風電機組有效利用風速段(切入風速～切出風速)基本介于3.0～20.0 m/s，該類地區低于3.0 m/s風速段的風能非常少，而高于20.0 m/s風速段的風能卻非常多，故采用常規機組可能會導致大部分的風能無法利用，導致資源浪費。

圖5 代表測風塔最大測風高度風速頻率分布

圖6 代表測風塔最大測風高度風能頻率分布

2.4 風切變指數

風速垂直切變不僅影響測風塔實測以上高度風速的推導，同時影響風電機組塔架高度的選擇，并且對風電機組載荷和發電效率都有一定影響，是最重要風況參數之一。分析可知，該類地區風切變指數整體較小，且有超過一半測風塔均出現負切變，初步判斷該類地區70 m及以上高度普遍會出現負切變(見圖7)。

以8號代表測風塔為例分析，從地形、地貌和大氣熱穩定性兩方面研究負切變產生主要原因。該塔有負切變現象產生，且近地面通道風速相對較大，最高層通道風速最小，10 m高度實測平均風速約為9.58 m/s，100 m高度實測平均風速約為9.35 m/s。

2.4.1 地形地貌

通過對測風塔處地形地貌分析，該處測風塔地勢相對平坦，山脊坡度較緩，沿山脊線高差約60 m。分別取8號測風塔處沿主導風向斷面1和垂直山脊走向斷面2進行地形分析(見圖8)。

圖7 代表測風塔最大測風高度風切變指數統計

(1)隆起地形地勢非常平緩，頂部地形坡度小于5°，迎風和背風坡度5°～15°，屬于斜緩坡，地形導致的加速效應不明顯。

(2)50 m/10 m、80 m/70 m兩個高度區間內出現正切變，其余高度區間均為負切變，實際情況與低層加速效應不相符合。

(3)地表覆蓋物均為荒草或裸露地面，無灌木或高樹等，即地表粗糙度也不會對風廓線造成較大影響，即地形地貌會對氣流產生一定的影響，但非負切變現象產生的主因。

圖8 8號測風塔地形地貌

2.4.2 大氣熱穩定性

大氣熱穩定性是指空氣受到垂直方向擾動后，大氣層結使該空氣團具有返回或遠離原來平衡位置的趨勢和程度，直接影響近地層大氣的垂直對流，溫度越高垂直對流越強，大氣越不穩定。大氣熱穩定性一般根據理查森數Ri判定，該參數描述湍流運動因抵抗重力所做的功與雷諾應力使平均運動動能轉變為脈動動能之比值的大小，與溫度梯度有關，見公式(1)[2]。因測風塔只進行一個高度層溫度監測，無法直接計算得到Ri值。因氣流運動跟太陽輻射有直接關系，本文提出利用太陽輻射定性分析、間接驗證，分別進行風速與輻射量日內、年內以及季節變化對比分析。

(1)

式中，θv為虛位溫，θv≈θ(1+0.61q)；θ為位溫，q為比濕。

從日內變化分析可知(見圖9～10)，不同季節輻射量主要集中在6～8時至19～20時之間，此時間段內各高度層出現明顯負切變；其他時段不同高度層風速變化幅度不一致，風切變有所不同。其中10 m高度層風速變化最為明顯：在0～9時區間內，太陽尚未完全升起，場址區域輻射量較低，風速最小，符合風速隨高度增加的正常分布規律；9～20時區間內，太陽完全升起，場址區域輻射量不斷增加，風速大幅增加，遠遠高于其他高度層風速；20～23時區間內，太陽逐漸落下，輻射量減少，風速逐漸減小，直至低于其他高度層。其他高度層風速在不同時段也具有類似變化規律。故基本可判斷輻射量的確通過影響氣流運動對風切變產生較大影響。

從年內變化分析可知(見圖11)，風速與輻射量年內的整體變化趨勢有一定的相似性，風速在1～4月呈先增大再減少的趨勢，5～12月呈先減少后增加再減少的趨勢。大風月主要集中在10月～次年2月，小風月主要集中在3～9月；輻射量在1～5月呈先增大再減少的趨勢，6～12月呈先減少后增加再減少的趨勢。

從季節變化分析可知(見圖12～13)，夏季輻射量最高，對風切變影響最大，綜合風切變也最小，為-0.032，依次為春季、秋季，冬季，即風切變大小與輻射量高低成反比關系，且基本以50 m高度為界點。

其他部分安裝有測光設備的代表測風塔各月輻射量與風切變基本也呈現類似變化規律(見圖14)。

圖9 8號測風塔各測風高度平均風速日內變化

圖10 輻射數據典型日內變化

圖11 8號測風塔風速和輻射量年內變化

圖12 8號測風塔輻射量不同季節變化趨勢

圖13 8號測風塔不同季節風切變擬合曲線

綜上分析，該類地區負切變產生的主因為大氣熱穩定性而非地形地貌。由于晝夜溫差較大，白天太陽輻射充分到達地面后，近地層氣流因受熱而變得極不穩定，亂流逐漸發展，上下層空氣間的動量交換增強，大氣穩定性極不穩定，結果使下層空氣的運動加速，而上層空氣的運動減速[3]。由于海拔較高，空氣稀薄，導致空氣密度也非常低，垂直高度上空氣密度隨高度的增加而降低，氣流受熱加速相對滯后或不明顯。地表覆蓋物如茂密林地等可有效吸收多余太陽的熱量，減緩近地層亂流的產生，而西藏大部分地區地表覆蓋物基本均為低矮荒草地或裸露地面，光禿的地表吸熱能力非常差，熱量大部分用于近地層空氣的加熱，當下層空氣不斷加速甚至超過上層空氣運動速度時，即產生負切變現象，這種現象在輻射量較高的夏季尤為明顯，呈季節性變化。

圖14 部分代表測風塔各月輻射量與風切變變化曲線

2.5 湍流強度

各代表測風塔最大測風高度處15.0 m/s風速段平均湍流強度計算結果見圖15。分析可知，該類地區15.0 m/s風速段平均湍流強度整體較小，均低于0.14，且基本與海拔高度成反比關系。參照《風電機組設計要求》(IEC61400-1-2005)，初步判斷該類地區基本屬于湍流中低強度等級。

圖15 代表測風塔最大測風高度湍流強度統計

2.6 50年一遇最大風速

采用歐洲風電機組標準Ⅱ經驗公式和等壓計算公式推算各代表測風塔最大測風高度標準空氣密度下，50年一遇最大風速見圖16。分析可知，該類地區標準空氣密度下50年一遇最大風速均低于37.5 m/s，參照《風電機組設計要求》(IEC61400-1-2005)，初步判斷該類地區基本屬于IEC Ⅲ類風場。

圖16 代表測風塔最大測風高度50年一遇最大風速統計

3 結 論

(1)西藏超高海拔地區空氣密度普遍較低，平均空氣密度在0.7 kg/m3左右。超高海拔風電機組研發應重點關注由低空氣密度導致的葉片失速以及功率曲線和推力系數曲線修正問題，在保證穩定運行的情況下，應考慮加裝VG。

(2)該類地區風資源非常豐富，70 m及以上高度風功率密度等級基本在2級及以上，受大氣的斜壓性(熱成風)影響，基本上呈風速隨海拔高度增加而增加的趨勢。年內、日內整體變化趨勢與內陸其他地區基本相同。

(3)該類地區風能利用區間更加廣闊，尤其是高于20.0 m/s風速段的風能占比較大，且隨著海拔高度的增加而增加。超高海拔風電機組研發應適當提高切出風速，最大限度利用高風速段的風能，避免資源浪費。

(4)該類地區70 m高度及以上高度負切變現象普遍發生，受太陽輻射加熱和地表覆蓋物吸熱作用影響，其主導因素為大氣熱穩定性而非地形地貌。在保證安全運行和良好效益的前提下，超高海拔風電機組研發不宜采用高輪轂。

(5)該類地區15.0 m/s風速段平均湍流強度整體較小，均低于0.14，且基本與海拔高度成反比關系；標準空氣密度下50年一遇最大風速均低于37.5 m/s，初步判斷該類地區的超高海拔風電機組適宜選用IEC ⅢB類及以上等級。