向岸風(fēng)登陸后風(fēng)能資源衰減機(jī)理及案例分析

鄭愛(ài)玲，謝軍

（1. 中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2. 廣東粵電湛江風(fēng)力發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524043）

0 引言

本文從兩方面入手，分析向岸風(fēng)登陸后的衰減機(jī)理，即下墊面摩擦衰減以及前排風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)引起的尾流衰減。結(jié)合南方某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行前后的兩測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)案例分析，用實(shí)例驗(yàn)證理論的衰減模型，從而對(duì)該類(lèi)型沿海風(fēng)電場(chǎng)的排列布置方法提供參考及依據(jù)。

1 向岸風(fēng)衰減機(jī)理

1.1 下墊面摩擦衰減機(jī)理

幾乎所有的人類(lèi)生活、生產(chǎn)都處于大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組同樣在大氣邊界層下運(yùn)行發(fā)電。大氣邊界層的厚度差異很大，晴天白天高度可達(dá)1km－2km，而夜間當(dāng)?shù)孛鎻?qiáng)烈冷卻時(shí)，可能只有100m，平均而言，可認(rèn)為厚度幾百米或量級(jí)為1km。大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)則是下墊面作用的結(jié)果，大氣邊界層以上自由摩擦層的風(fēng)速則不受下墊面的影響[1]。受下墊面的摩擦影響，在地面及海面，空氣運(yùn)動(dòng)速度為零，隨著垂直高度的升高，摩擦影響逐漸減小，風(fēng)速逐漸恢復(fù)增加，當(dāng)高度升高至大氣邊界層邊緣，風(fēng)速得以完全恢復(fù)。在這個(gè)零風(fēng)速與邊界層某個(gè)高度處的某個(gè)風(fēng)速之間會(huì)形成一個(gè)風(fēng)切變。下墊面的粗糙度長(zhǎng)度不同，摩擦影響不同，垂直風(fēng)速的恢復(fù)程度也不同[2]，下墊面粗糙度越大，風(fēng)廓線指數(shù)（垂直風(fēng)切變）也越大[3]。圖1為四種不同下墊面特性的風(fēng)廓線指數(shù)及風(fēng)廓線圖，圖中從左至右的風(fēng)廓線指數(shù)分別為0.12、0.16、0.20、0.30，分別代表A：近海海面、海島、湖岸；B：田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵；C：密集建筑群的城市市區(qū)；D：密集建筑群且建筑物較高的城市市區(qū)。

1.2 尾流衰減

由于葉輪的障礙物影響，葉輪背后存在尾流區(qū)，尾流區(qū)是一種能量的陰影區(qū)，隨著地表粗糙度的增大引起大氣的擾動(dòng)增大或大氣對(duì)流湍流度的增大，尾流區(qū)以外的氣流與尾流區(qū)進(jìn)行混合及能量的補(bǔ)充，隨著越遠(yuǎn)離葉輪，兩區(qū)域越混合越充分、對(duì)尾流區(qū)的能量補(bǔ)充越多、尾流區(qū)越小，最終，兩種流動(dòng)完全混合、尾流陰影區(qū)完全消失、流動(dòng)完全恢復(fù)到葉輪前的狀態(tài)。這就是尾流衰減以及流動(dòng)的恢復(fù)。位于葉輪背后，越靠近葉輪，受尾流影響越大、衰減越大，離葉輪越遠(yuǎn)，受尾流影響越小，衰減越小。

為了準(zhǔn)確判斷前排風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)運(yùn)行引起的尾流影響所產(chǎn)生的能量損失，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)及演算。其中，N.O. Jensen線性數(shù)學(xué)模型是沿用至今較廣泛簡(jiǎn)單的模型。該模型假設(shè)在葉輪背后的尾流依據(jù)線性擴(kuò)展，其受風(fēng)電機(jī)組的推力系數(shù)及尾流衰減常數(shù)（尾流擴(kuò)展率）的影響，如公式（1）所示。

其中：Ct:推力系數(shù)；

D:葉輪直徑；

X:前后兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組的距離；

K:擴(kuò)散系數(shù)；

擴(kuò)散系數(shù)K（尾流衰減常數(shù)）隨場(chǎng)址地表粗糙度而變，擴(kuò)散系數(shù)K隨著地表粗糙度等級(jí)的增大而增大。圖2為不同高度下，尾流擴(kuò)散系數(shù)隨粗糙度等級(jí)變化而變化的情況。當(dāng)?shù)乇碇脖辉矫?、房屋越多，地表粗糙度越大，尾流擴(kuò)散系數(shù)K越大，從公式（1）可以看出，當(dāng)推力系數(shù)Ct、葉輪直徑D、前后兩風(fēng)電機(jī)組的距離X確定的情況下，當(dāng)?shù)乇泶植诙仍酱?，K越大，則風(fēng)速恢復(fù)得越快、V越大。即：大氣擾動(dòng)越大，能量的補(bǔ)充及混合能力越好，尾流擴(kuò)散范圍越大，尾流區(qū)越短，速度恢復(fù)得越快；當(dāng)?shù)乇泶植诙仍叫?，K越小，則風(fēng)速恢復(fù)得越慢、V越小。即：大氣擾動(dòng)越小，能量的補(bǔ)充及混合能力越差，尾流擴(kuò)散范圍越小，尾流區(qū)越長(zhǎng)，速度恢復(fù)得越慢。

2 案例分析

2.1 案例介紹

本案例位于南方沿海北熱帶氣候區(qū)，主風(fēng)向?yàn)镹E—E。風(fēng)電場(chǎng)安裝33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組，于2010年投產(chǎn)運(yùn)行。現(xiàn)收集到本案例2003年及2011年現(xiàn)場(chǎng)兩測(cè)塔的測(cè)風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料。2003年為投產(chǎn)前，2011年為投產(chǎn)后。場(chǎng)址范圍內(nèi)有兩個(gè)測(cè)塔，1＃測(cè)塔位于風(fēng)電機(jī)組東部潮間帶，2＃位于前排風(fēng)電機(jī)組西部約720m。由于本案例長(zhǎng)年主風(fēng)向?yàn)镹EN－ENE，參照IEC61400－12測(cè)試功率曲線的原理，后排風(fēng)電機(jī)組位于1＃測(cè)塔的190 ~330 （S－NW）方位，而來(lái)自190 ~330 區(qū)域的風(fēng)頻小于20%、風(fēng)能頻率小于10%。而2＃測(cè)塔位于前排風(fēng)電機(jī)組背后，在330 ~190 （順時(shí)針）均受前排風(fēng)電機(jī)組的影響，從風(fēng)能玫瑰圖和風(fēng)向玫瑰圖可判斷，80%的風(fēng)頻及90%的風(fēng)能均受到前排風(fēng)電機(jī)組的影響。故可將1＃測(cè)風(fēng)塔等同于未受影響的測(cè)塔，2＃測(cè)塔等同于受影響的測(cè)風(fēng)塔。本案例測(cè)風(fēng)塔、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能玫瑰示意圖如圖3所示。

2.2 下墊面引起的摩擦衰減

2003年投產(chǎn)前，1＃測(cè)塔與2＃測(cè)塔均未受風(fēng)電機(jī)組尾流影響，1＃測(cè)塔位于潮間帶，故可認(rèn)為1＃測(cè)塔記錄到未受陸地下墊面摩擦影響的向岸風(fēng)風(fēng)況。而2＃測(cè)塔離岸720m，記錄經(jīng)過(guò)720m陸地下墊面摩擦衰減影響的向岸風(fēng)風(fēng)況。兩測(cè)塔于2003年的測(cè)風(fēng)情況如表1所示。

從表1可以看出，1＃測(cè)塔所記錄的風(fēng)速未受陸地下墊面的摩擦衰減影響，其記錄到平均風(fēng)速為6.98m/s，2＃測(cè)塔位于岸線后720m，NEN—ENE扇區(qū)的向岸風(fēng)基本垂直于岸線，經(jīng)過(guò)約720m的陸地衰減后，2＃測(cè)塔70m高度同期平均風(fēng)速為6.31m/s，對(duì)比1＃測(cè)塔，約衰減9.6%。

表1 2003年兩測(cè)塔70m高度測(cè)風(fēng)風(fēng)況

海面廣闊波瀾不驚，其粗糙度長(zhǎng)度應(yīng)為0.0001，上岸后陸地地貌為灘涂、蝦塘，有矮樹(shù)木，粗糙度長(zhǎng)度應(yīng)為0.03。假設(shè)陸地與海面的風(fēng)速在500m～1000m高度恢復(fù)至一致。已知1#潮間帶測(cè)風(fēng)塔處地表粗糙度為0.0001，2#測(cè)風(fēng)塔位于海岸后720m，其地表粗糙度為0.02～0.1，兩測(cè)風(fēng)塔70m高度的平均風(fēng)速分別為6.98m/s，6.31m/s，由如下公式（2）可求得在316m～970m高度海面風(fēng)速及陸上風(fēng)速將恢復(fù)至一致。這與平均大氣邊界層幾百米至1千米的量級(jí)是一致的。

其中：

故可認(rèn)為，本案例中，1#測(cè)風(fēng)塔所處海面粗糙度0.0001，2#測(cè)風(fēng)塔所處陸地粗糙度0.02～0.1的假設(shè)是基本合理的，對(duì)比1＃測(cè)塔，2#測(cè)風(fēng)塔位于岸線以?xún)?nèi)720m，受陸地下墊面的影響，衰減9.6%。本案例的風(fēng)廓線圖如圖4所示。

2.3 風(fēng)電機(jī)組尾流引起折減

2010年投產(chǎn)后，2＃測(cè)風(fēng)塔所記錄的風(fēng)速則受兩部分衰減影響。一方面是受下墊面的摩擦衰減，另一方面則受前排風(fēng)電機(jī)組的尾流衰減影響。兩測(cè)塔于2011年的測(cè)風(fēng)情況如表2所示。

由表2所示，1＃測(cè)塔所記錄的風(fēng)速未受陸地下墊面的摩擦衰減影響，也未受到風(fēng)電機(jī)組的尾流影響，其2011年的實(shí)測(cè)風(fēng)速為6.66m/s。2＃測(cè)塔位于岸線后720m，受下墊面摩擦衰減和風(fēng)電機(jī)組尾流影響，同期平均風(fēng)速為5.96m/s，對(duì)比1＃測(cè)塔，衰減約10.5%。已知海面上70m風(fēng)速為6.66m/s，采用公式（2），求得受下墊面摩擦衰減后陸地風(fēng)速70m高度風(fēng)速為6.02 m/s，衰減約9.6%，而1%則為前排風(fēng)電機(jī)組尾流影響的結(jié)果。采用WAsP軟件建立模型，設(shè)置陸地粗糙度為0.02～0.1，采用1#測(cè)風(fēng)塔2011年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算前排風(fēng)電機(jī)組對(duì)2#位置70m高度的尾流影響約為1%～4%，當(dāng)粗糙度為0.03時(shí)，尾流影響為2%，與1%的量級(jí)十分接近。

表2 2011年兩測(cè)塔70m高度測(cè)風(fēng)風(fēng)況

3 結(jié)論

下墊面的粗糙度是一把雙刃劍，它引起邊界層內(nèi)能量的衰減，對(duì)風(fēng)能的利用起反作用；但對(duì)縮短尾流區(qū)、增加能量的混合、促使流動(dòng)的恢復(fù)起積極的作用。本文通過(guò)對(duì)下墊面粗糙度正反兩面的案例分析，總結(jié)出影響南方濱海風(fēng)電場(chǎng)第二排風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能資源的關(guān)鍵因素，為南方濱海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)二期、三期提供設(shè)計(jì)參考。

通過(guò)對(duì)南方某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行前后的測(cè)風(fēng)案例分析， 2003年風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行前，位于海邊的測(cè)風(fēng)塔與位于內(nèi)陸720m的測(cè)風(fēng)塔之間的風(fēng)速衰減9.6%，假設(shè)兩測(cè)風(fēng)塔所在位置地表粗糙度為0.0001及0.02～0.1，推算得到本地區(qū)大氣邊界層厚度約316m～970m，符合平均大氣邊界層幾百米至1千米的量級(jí)，證明對(duì)粗糙度的量級(jí)設(shè)置是正確的。風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后，2011年兩測(cè)風(fēng)塔之間的風(fēng)速衰減為10.5%，其中，假設(shè)與2003年風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行前一致，9.6%為下墊面引起的摩擦衰減，采用WAsP軟件建立模型，采用1#測(cè)風(fēng)塔2011年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算前排風(fēng)電機(jī)組對(duì)2#位置70m高度的尾流影響為2%（地表粗糙度為0.03時(shí)），與1%的量級(jí)十分接近。證明位于岸線后720m（約10倍葉輪直徑）位置處的風(fēng)資源受下墊面影響大，上岸風(fēng)的衰減較大，衰減約10%左右；相比之下，該位置受前排（沿岸線一線布置）風(fēng)電機(jī)組的尾流影響較小，約1%～4%（地表粗糙度為0.02～0.1時(shí)）。故可認(rèn)為，在南方粗糙度等級(jí)為1級(jí)的沿海風(fēng)電場(chǎng)，離岸邊前排風(fēng)電機(jī)組10倍葉輪直徑以上距離的區(qū)域，受前排沿岸風(fēng)電機(jī)組尾流影響較小，風(fēng)能的衰減主要受下墊面的摩擦影響。

[1] 趙鳴.大氣邊界層動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] Robert Gasch, Jochen Twele.Windkraftanlagen[M].Wiesbaden:Teubner,2005.

[3] 賀德馨等.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.