淺談WindSim軟件在復(fù)雜地形條件下測風(fēng)塔選址中的應(yīng)用

文 | 朱鳳霞

淺談WindSim軟件在復(fù)雜地形條件下測風(fēng)塔選址中的應(yīng)用

文 | 朱鳳霞

測風(fēng)塔的代表性，對于風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估、發(fā)電量估算都具有重要意義。選擇合適位置的測風(fēng)塔才能準(zhǔn)確評(píng)估一個(gè)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能資源狀況。測風(fēng)數(shù)據(jù)10%的誤差可能導(dǎo)致風(fēng)電場年產(chǎn)能30%左右的誤差。選擇一個(gè)較為準(zhǔn)確及具有代表性的測風(fēng)塔位置，其測風(fēng)數(shù)據(jù)可以客觀詳實(shí)地反映區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能狀況，是風(fēng)電場建設(shè)取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵；而一個(gè)不具有代表性的測風(fēng)塔將夸大或縮小評(píng)估區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)功率密度，不能反映客觀事實(shí)，有可能因?yàn)榻ǔ傻娘L(fēng)電場達(dá)不到預(yù)期的發(fā)電量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，或者因測風(fēng)塔設(shè)立位置風(fēng)況不好而放棄開發(fā)，浪費(fèi)了人力物力資源。因此，選擇合適位置樹立測風(fēng)塔、提高測風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性對風(fēng)電場的開發(fā)具有非常重要的意義。

對于復(fù)雜地形的風(fēng)電場，由于地形起伏大、變化多，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)能分布情況受眾多因素影響，加大了復(fù)雜地形區(qū)域測風(fēng)塔選址的難度。鑒此，本文利用WindSim軟件進(jìn)行規(guī)劃風(fēng)電場風(fēng)能資源模擬，綜合考慮風(fēng)流參數(shù)，為復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場選取不同數(shù)量的立塔點(diǎn)，并分析其代表性。

軟件介紹

WindSim軟件是由挪威WindSim AS 公司開發(fā)并擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)能資源評(píng)估軟件，是基于先進(jìn)的CFD（計(jì)算流體力學(xué)）和邊界氣象學(xué)方法，全面模擬分析區(qū)域風(fēng)資源特性，優(yōu)化風(fēng)電場設(shè)計(jì)的專業(yè)工具。采用CFD的方法進(jìn)行空間風(fēng)流模擬，完全求解三維Navier－Stokes方程，并應(yīng)用適合的湍流模型及邊界條件對目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)流特性參數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算。

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

WindSim軟件計(jì)算內(nèi)核為Phoenics軟件（Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series），適合于模擬風(fēng)電場的流動(dòng)。它使用CFD方法，將全場三維空間區(qū)域建立數(shù)學(xué)網(wǎng)格模型，假設(shè)適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，采用標(biāo)準(zhǔn)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(guī)劃風(fēng)電場周圍已有測風(fēng)塔相關(guān)信息

其中ρ為空氣密度，ν為水平風(fēng)速，μ為動(dòng)力學(xué)分子粘性系數(shù)，k為常數(shù)。

相對于常規(guī)風(fēng)能資源評(píng)估的線性模型軟件，WindSim可以計(jì)算氣流在三維方向上的變化；計(jì)算規(guī)劃風(fēng)電場任何位置的湍流強(qiáng)度及入流角度、風(fēng)速與風(fēng)向在葉輪掃風(fēng)面內(nèi)的變化；計(jì)算規(guī)劃風(fēng)電場任何位置的垂直風(fēng)廓線、流線跟蹤、模擬測風(fēng)。并且具有多個(gè)測風(fēng)塔聯(lián)合計(jì)算的特點(diǎn)。WindSim軟件沒有對風(fēng)速輪廓曲線做出任何假設(shè)，因此可以充分模擬到場址的負(fù)切變指數(shù)甚至漩渦流動(dòng)，適用于復(fù)雜地形的風(fēng)電場。

案例分析

廣東某山地風(fēng)電場高程范圍為130m－850m，占地面積82km2，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為10MW。場內(nèi)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(fù)雜。場區(qū)內(nèi)有零星基巖出露，山上普遍植被較繁茂。目前規(guī)劃風(fēng)電場場區(qū)內(nèi)沒有測風(fēng)塔，規(guī)劃風(fēng)電場周圍已有三座測風(fēng)塔（A、B、C），測風(fēng)塔海拔高度分別為275m、745m和414m，已有測風(fēng)塔的相關(guān)信息見表1。已有測風(fēng)塔與規(guī)劃風(fēng)電場的相對位置如圖1所示。

A測風(fēng)塔距離規(guī)劃風(fēng)電場場址中心的距離為16km；B測風(fēng)塔距離規(guī)劃風(fēng)電場場址中心的距離為21km；C測風(fēng)塔距離規(guī)劃風(fēng)電場場址中心的距離為30km。

采用WindSim軟件，建立該區(qū)域的風(fēng)資源模型，該模型可聯(lián)合A、B、C三座測風(fēng)塔對大范圍區(qū)域進(jìn)行風(fēng)資源模擬，風(fēng)資源模擬結(jié)果基于三座測風(fēng)塔的測風(fēng)結(jié)果，這樣，可以降低測風(fēng)塔相距較遠(yuǎn)、地形較復(fù)雜所引起的誤差。大范圍的風(fēng)能資源圖如圖2所示。

為了準(zhǔn)確評(píng)估規(guī)劃風(fēng)電場的風(fēng)能資源，需要在規(guī)劃風(fēng)電場內(nèi)樹立測風(fēng)塔，獲得實(shí)測風(fēng)速，根據(jù)GB/T 18709－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》所選測量位置的風(fēng)況應(yīng)基本代表該風(fēng)電場的風(fēng)況；測量位置附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等障礙物，與單個(gè)障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應(yīng)保持在障礙物最大高度的10倍以上；對于地形較為復(fù)雜的風(fēng)電場，應(yīng)選擇兩處及以上安裝測風(fēng)設(shè)備。利用WindSim軟件選取3座擬立測風(fēng)塔的位置。擬立測風(fēng)塔的相對位置如圖3所示。

圖1　已有測風(fēng)塔與擬建風(fēng)電場相對位置

圖2　擬建風(fēng)電場及周圍區(qū)域風(fēng)能資源分布

圖3　擬立測風(fēng)塔的相對位置

測風(fēng)塔權(quán)重分析

規(guī)劃風(fēng)電場選立3個(gè)測風(fēng)塔點(diǎn)，為了分析所選測風(fēng)塔點(diǎn)對復(fù)雜地形風(fēng)電場整體代表性，需考慮每個(gè)測風(fēng)塔對風(fēng)電場區(qū)域的貢獻(xiàn)（即權(quán)重）。距離測風(fēng)塔越近的位置，則該測風(fēng)塔對其權(quán)重則越大，相反的，距離測風(fēng)塔遠(yuǎn)的位置，則該測風(fēng)塔對其權(quán)重則越小。當(dāng)測風(fēng)塔個(gè)數(shù)較少時(shí)，在距離較遠(yuǎn)處，測風(fēng)塔對其權(quán)重過大，則無法準(zhǔn)確評(píng)估離測風(fēng)塔較遠(yuǎn)區(qū)域的風(fēng)能資源品質(zhì)，引起較大誤差；當(dāng)測風(fēng)塔個(gè)數(shù)較多時(shí)，將會(huì)造成不必要的浪費(fèi)

圖4－圖6為所選測風(fēng)塔對整個(gè)區(qū)域的風(fēng)資源模擬結(jié)果的貢獻(xiàn)（權(quán)重）。

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

圖4　測風(fēng)塔1所代表的權(quán)重系數(shù)

圖5　測風(fēng)塔2所代表的權(quán)重系數(shù)

圖6　測風(fēng)塔3所代表的權(quán)重系數(shù)

測風(fēng)塔位置的相關(guān)參數(shù)

在復(fù)雜地形條件下，地形的隆升和低凹變化對風(fēng)的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。在近地層中，由于受地面粗糙度的影響，風(fēng)速隨著高度增加而增大，地面粗糙度越大，風(fēng)垂直切變越大。

氣流通過障礙物時(shí)，障礙物下游會(huì)形成尾流擾動(dòng)區(qū)，風(fēng)速降低，同時(shí)產(chǎn)生湍流，在障礙物的上風(fēng)向和其外側(cè)造成湍流渦動(dòng)區(qū)。

用于風(fēng)能資源評(píng)估的測風(fēng)塔，在選址上必須綜合考慮風(fēng)流參數(shù)定向計(jì)算的結(jié)果。入流角、風(fēng)切變盡可能小的情況下，根據(jù)具體的地形選擇合適的位置。 利用WindSim軟件計(jì)算測風(fēng)塔1、測風(fēng)塔2和測風(fēng)塔3處的風(fēng)流參數(shù)如下表2所示。由表2可見，風(fēng)切變和入流角較小，所選測風(fēng)塔1、測風(fēng)塔2和測風(fēng)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(fēng)塔。

表2　擬建測風(fēng)塔處風(fēng)流參數(shù)

總結(jié)

建設(shè)風(fēng)電場，首先要對選定區(qū)域進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估。用于風(fēng)能資源評(píng)估的測風(fēng)塔，在選址上必須考慮測風(fēng)塔的代表性，且要綜合考慮風(fēng)流參數(shù)。在入流角、風(fēng)切變盡可能小的情況下，根據(jù)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(fù)雜地形區(qū)域具有一定的模擬能力，同時(shí)可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出區(qū)域內(nèi)的風(fēng)流參數(shù)，為風(fēng)電場前期選取測風(fēng)塔位置提供較為可靠的依據(jù)，減少由于測風(fēng)塔代表性不足而產(chǎn)生對風(fēng)電場建設(shè)投資影響。通過WindSim軟件的模擬計(jì)算，可以得到場區(qū)初步的風(fēng)能資源分布情況，然后根據(jù)分析結(jié)果選擇合適位置的測風(fēng)塔點(diǎn)，更為準(zhǔn)確地反映擬建風(fēng)電場的風(fēng)能資源狀況。

（作者單位：中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司）