浅析风电场微观选址中的几个关键技术

摘 要：随着风电技术的不断进步，风力发电场的建设增加了电能的供应，极大地缓解了电力供需的矛盾，且风力资源属于可再生资源，无污染，因此在近年来受到各个国家的重视。风电场微观选址则是在宏观选址中选定的小区域中，考虑由风场环境引发的自然风的变化及由风力发电机组自身所引发的风扰动（即尾流）因素，确定如何排列布置风力发电机组，使整个风力发电场年发电量最大。该文从地形和地貌、风力发电机组尾流、排布效率以及载荷风况等几个关键技术对微观选址的影响做了简单的剖析。

关键字：微观选址 地表粗糙度 障碍物遮挡效应 排布效率 载荷风况

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0063-01

风电场选址分为宏观选址和微观选址，宏观选址遵循的原则是根据风能资源调查与分区的结果，选址最有利的场址，以求增大风力发电机组的输出，提高供电的经济性、稳定性和可靠性；微观选址则是在宏观选址中选定的小区域中，考虑由风场环境引发的自然风的变化及由风力发电机组自身所引发的风扰动（即尾流）因素，确定如何排列布置风力发电机组，使整个风力发电场年发电量最大，从而降低能源的生产成本以获得较好的经济效益。该文从几个关键技术的角度出发，对风电场微观选址做了初步的探讨。

1 地形和地貌的影响

地形和地貌对风的影响主要来自于三个方面：粗糙度、地形和障碍物。下面分别对此予以阐述。

1.1 地表粗糙度

地表粗糙度由地表粗糙元的尺寸和分布决定。地表粗糙长度对风速的影响是巨大的，粗糙元的改变对风电场发电量的影响也不容忽视，如周围树林在风场运行期间逐渐长高，这就需要在微观选址时予以充分考虑。

1.2 地形加速效应

地形对近地层风的影响是非常大的，是风资源工程研究的重点之一。当达到一定高度后，地表形态对风的影响将消失，平均风速趋于相等。由于地形加速效应，在山地风电场，风力发电机组的选址几乎都是在山脊之上。

1.3 障碍物遮挡效应

障碍物遮挡效应分为风速降低效应和湍流增加效应。

遮挡效应可以定义为：由地貌中障碍物引起的风速的相对降低。一个障碍物是否对某点产生遮挡效应取决于：关注点与障碍物的距离；障碍物的高度；关注点的高度；障碍物的长度；障碍物的孔隙率。

一般认为当关注点与障碍物的距离超过障碍物高度的50倍，关注点的高度超过障碍物高度3倍时，障碍物的遮挡效应消失或可忽略不计。障碍物的形式十分多样，和其他地理元素的界限也并不十分清晰。障碍物的思想在微观选址时可以灵活运用：可能有遮挡效应时，按照障碍物考虑；若无遮挡效应，则按照粗糙元或地形考虑。

障碍物不仅能显著地降低风速，还会在附近产生大量的湍流。障碍物产生的湍流区可以达到障碍物高度的三倍，且下风向的湍流更加剧烈。因此在微观选址时，要特别注意避开障碍物，尤其是障碍物在主导风向的上风向时。

2 风力发电机组尾流的影响

经过风轮的气流相对于风轮前的气流来说，速度减小，湍流度增强，该部分气体所在的区域即称为风力发电机组尾流区。风力发电机组尾流区可以划分为近尾流区和远尾流区两个区域。由于风力发电机组尾流效应的发展是在整个风场范围内的，风场中相邻两台风力发电机组的尾流相遇时会产生效果的叠加，处于尾流叠加区域内的风力发电机组的出力得不到保证，风力发电机组尾流效应的存在将大大减少下游风力发电机组的出力，所以风场布置时要尽量减少风力发电机组尾流效应对其下游风力发电机组的影响。

3 排布效率

排布效率是用来表征与风力发电机的排布直接相关的风场发电量效率，是折减了尾流造成的发电量损失后的效率。排布效率有时也习惯被称为风场效率。尽量减少尾流损失，从而提高排布效率，是风场发电量优化的的重点工作之一。

应该注意的是，单台风力发电机的排布效率可能是不同的，而这里关注的是风场整体的排布效率。通常，风场的排布效率应该不低于93%，而单台风力发电机的排布效率应该不低于88%。但有时为节约土地，在有限的空间内提高风场的装机容量，就要在排布效率上做出让步了。

影响排布效率的因素主要有：平均风速和主导风向；平均湍流强度及风力发电机的抗湍流能力；风场区域的走向、地形和粗糙度特征；风力发电机的数量或装机容量；土地使用的法律和环境限制。

4 载荷风况

载荷风况也是微观选址要考虑的重要内容，地形复杂的风场尤为突出。载荷风况不直接反映在发电量上，但是对风力发电机的载荷却起到决定性作用。降低风力发电机的载荷可以降低维修成本，确保风力发电机的服役期达到20年的设计寿命，同时减少由于维修停机造成的发电量损失。影响风力发电机载荷的风况主要有：

4.1 湍流强度TI

湍流强度用来表征风速波动的剧烈程度。显然，风速波动越大，对风力发电机的机械结构越大，造成的载荷也越大。实际上，风力发电机的载荷随着湍流强度增加而指数增长。IEC标准定义了不同等级的湍流强度工况，因此湍流强度还是风力发电机选型的依据之一。复杂风场中，测风塔的实测湍流强度通常低估了多数风力发电机遭遇的湍流强度。此外，测风塔的实测湍流强度是没有风力发电机尾流影响的背景湍流。

入流角：入流风向与水平面的夹角称为入流角。水平轴风力发电机的理想入流角为0°，即风水平吹。入流角主要由地形坡度决定，通常坡度越大，入流角越大。和湍流强度一样，入流角也会严重影响风力发电机的关键受力部件的载荷。另外，入流角的存在还可能降低风力发电机的发电量。平均风流的入流角不应该超过8°。

4.2 风剪切

风剪切是指水平风速随高度的变化。一般来说，风力发电机叶轮面顶部的风速高于底部，桨叶每次旋转周期内都因此前后弯折，造成了材料的疲劳损伤。在复杂的风场中，风速的垂直切变变得复杂，引起额外的脱离流，进而增加湍流强度。在完成微观选址时，要避开风剪切指数大的位置。

4.3 极端风况

风力发电机的载荷分为疲劳载荷和极端载荷两种工况。极端载荷发生概率很低，但是一旦发生则破坏性极强，因此应该予以足够的重视。

5 结语

综上所述，用来为一台或更多风力发电机组确定位置的微观选址，为了使得风力发电机组排布最佳，风电场的全部电力输出最大，在其选址过程中，需要综合考虑到地形和地貌、风力发电机组尾流、排布效率以及载荷风况等多种要素的影响。

参考文献

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