江西省高山风场风能资源评价中风切变指数的研究

彭王敏子，陈胜东，姚 琳

(江西省气象科学研究所，330046，南昌)

江西省高山风场风能资源评价中风切变指数的研究

彭王敏子，陈胜东，姚 琳

(江西省气象科学研究所，330046，南昌)

利用高山风场70 m高度测风塔观测数据，研究江西省高山风场风切指数变化特征。描述及总结了3处高山风场的风切变指数的日变化、月变化、季节变化特征及规律。分析结果表明地形和地表粗糙度是影响江西省高山风场风切变指数的主导因素。该结果能为江西省高山风电场的设计运行提供可靠的参考。

高山；风能资源评价；风切变；指数计算

0 引言

风力发电主要是利用近地层中风的动能资源，而近地面层风速因大气运动自身特性以及下垫面环境的影响，往往呈现气流随高度的不均匀分布特性，轮毂高度处的风切变成为风力发电机组承受的最基本外部载荷条件，风切变不但是制约风机性能的重要参数，而且是影响风电效益发挥的重要因素[1]。风切变对风力发电有负面和正面的影响，负面影响主要表现在：如果风切变过大，则在叶片掠面上的风力载荷分布非常不均衡，这将在一定程度上影响到叶片和机舱的使用寿命安全。正面影响主要体现在风切变越大有利于通过提高风机轮毂高度获取更多的风能[2]。我国地域广阔，各地地形千差万别，大环流形势也不尽相同，切变指数往往存在较大差异，此外，不同季节。同一天不同时段风切变指数也存在差异。要进行风电场科学、合理布设，需要掌握不同状况下风切变的特征和变化规律。目前，对风切变的研究应用大多是在大气污染控制以及对飞机起降的安全控制等方面，针对风电场建设运行的风切变特征研究较少，江西省风能资源的评估及特性研究也主要是针对鄱阳湖地区[3]。本文利用江西省高山风场3座70 m高度测风塔一年完整观测数据，研究江西省高山风场风切变指数变化特征，为江西省高山风电场的设计运行提供技术支撑，对加强风能开发利用具有实际意义。

1 风切变指数定义

风切变是指风矢量在垂直方向上的空间变化。在近地层中，风速随高度有显著变化，造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度，后者主要表现为近地层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展。风切变幂律表示近地层风速随高度呈指数变化的规律。风电场选址时普遍使用指数律[4]，即：

v2=v1(Z2/Z1)α

(1)

α=(lnv2-lnv1)/(lnz2-lnz1)

(2)

式中：α为风切变指数；v2为高度Z2的风速(m/s)；v1为高度Z1风速(m/s)。

本研究中10～70 m相邻各层10～30 m、30～50 m、50～70 m间的风切变指数直接按式(2)计算。另外10～70 m间的综合切变指数可用各测风塔4个高度平均风速用幂指数拟合法进行计算。

2 数据来源

选用江西省高山风电场内3个测风塔连续1年的测风数据进行分析，测风塔详细信息见表1。根据《风电场风能资源评估方法》(GB/T18710-2002)标准，对3个测风塔数据的一致性、合理性进行判别，并且对重大天气过程，如强冷空气、热带气旋等天气条件下风速的合理性进行判断，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据。根据测风塔的相关关系以及可供参考的传感器同期记录数据，经过分析、处理、替换、整理出测风塔连续一年的实测风速风向数据，使其有效数据完整率达到100%。

表1 测风塔情况一览表

3 结果分析

3.1风速随高度的变化差异

大气边界层的风场分布除受到大型天气系统的影响外，更受地形作用、下垫面性质不同引起热力作用等影响，是3种因素共同作用的结果，使得风场具有独特的垂直、水平结构，并有明显的时间变化[5]。

图1为3个测风塔年平均风速随高度的变化曲线。从图1可以看出：水槎和桃花尖风场处的风速随高度的变化较为一致。低层10～30 m高度有明显的增大趋势。之后的30～70 m高度风速增大趋势不明显，部分高度层甚至有下降的趋势。海拔高度最高的钩刀咀风场整体风速高于其他2个风场，且风速随高度的变化趋势也明显不同：10～70 m高度风速随高度逐渐增大。

图1 不同测风塔各层高度的风速垂直变化曲线

3.2风切变指数计算及拟合

通过风切变指数进一步分析上述3个风场风速随高度变化趋势程度。分别用实测风速指数律计算法和各高度层平均风速幂指数拟合法对风切变指数进行了计算。表2为用公式(2)计算而来的3座测风塔各高度实测风切变指数。挑选的是50 m高度10 min的平均风速大于6 m/s时刻的数据，因为在50 m高度风速小于6 m/s时，风机只能产生很不稳定的发电量；并且风速大于6 m/s时刻的数据往往对应着大气中性层结[6]。表2结果可以看出：总体来说风切变指数钩刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈现低层风切变指数高，高层风切变指数低的规律。因为一般来说，近地层中最靠近地面的一层风切变最大[7]。但是钩刀咀70～30 m层结的切变指数明显高于低层10～30 m层结的风切变指数。分析原因可能是由于风流经过山脊、断崖绝壁等地形时，某些高度层的风速会加速，将改变风廓线的形状，进而影响不同高度的风切变指数[8]。

另外水槎70～50 m间、桃花尖70～50 m间的风切变均为负值，说明这些层间出现了负切变。以桃花尖风场为例分析出现负切变的原因，根据伯努利效应[9]，当气流越过山脊时，气流被压缩并加速，但这个加速仅发生在山脊以上相对较薄的气层内，故分析桃花尖测风塔这个位置这个较薄的空气层的高度应该就在50 m之内。50 m高度之后没有了加速效应，因此出现70 m高度的风速反而小的现象。

表2 各测风塔实测风切变指数

从表2还可以看出，70～10 m间的总切变指数介于相邻层计算出的切变指数之间，各层间的风切变指数变化幅度和趋势各有不同。因此，如果计算相邻高度的风速时，则应用相邻高度间计算得到的风切变指数；如果计算相差较大的高度间的风速时，则考虑使用总切变指数。

另外还可以将公式(1)做适当变换，令v2/v1为y，z2/z1为x，得到公式

y=mxα

(3)

然后就可以根据不同高度的平均风速拟合求出综合风切变指数。先分别通过4个高度的平均风速绘制散点图，然后用幂指数进行拟合，具体见图2。得出3个风场相关方程分别为：

钩刀咀Y=5.158 1X0.042 9，

水槎Y=2.506 3X0.186 1，

桃花尖Y=2.750 2X0.196 5。

用平均风速拟合法得到3个风场的综合切变指数分别为：0.042 9、0.186 1、0.196 5。与用实测值计算的风切变指数接近。

图2 3个测风塔风速随高度变化的风切变指数拟合曲线

3.3风切变指数的日变化

图3为高山风场3个测风塔全年风切变指数的日变化图。从图3可以看出：全天风切变指数波动较频繁的是桃花尖风场，说明该处影响风切变指数的因素更为复杂。钩刀咀风场海拔最高，地面粗糙度对风速的影响较小。使得其在测风塔处表现出梯度风变化较小。从总体看，3个测风塔处的风切变指数的变化均表现出日出前和日落后切变指数较大。这时由于从中午到傍晚大气层结处于不稳定或中性状态，大气湍流混合租用更加明显，从而导致上下层间动量交换频繁，风速垂直梯度较小，而夜间温度层结稳定，湍流弱，动量不易下传，表现出上下层的风速垂直变率大。

3.4风切变指数的季节变化

图4、图5为3个高山风场风切变指数的月变化和季节变化情况。全年各月变化波动最大的是钩刀咀风场，另2个风场年变化波动较相似。钩刀咀海拔最高，山地地形有利于加剧近地层的大气湍流交换作用，导致大气层结更加不稳定，使得该处的风切变指数的波动更为频繁。高强度的太阳辐射趋向于引起更大的大气不稳定性和增强大气层间的混合，使得在不同的大气垂直层间的风速相对一致，导致低的风切变指数。在太阳辐射强度较低或者没有太阳辐射的时间，大气层趋向更稳定，因此层间很少或不混合，风速趋向于随离地面高度增加而急剧增加，导致风切变指数增高。因此在不考虑地形和粗糙度的情况下，风切变指数应该是夏秋季偏低，冬春季偏高。如图5所示，钩刀咀和桃花尖风场秋季最小，夏季最大。水槎风场冬季最小，春季最大。切变指数并没有表现出夏秋季偏低，冬春季偏高的一般特点。这说明在复杂地形下，地形和地表粗糙度是影响局地风切变指数的主导因素。

图3 风切变指数日变化

图4 风切变指数的月变化

图5 风切变指数的季节变化

4 小结

1)本文分别用实测风速指数计算法和平均风速幂指数拟合法计算了风切变指数，两者结果相近。拟合出的70～10 m间的总切变指数介于相邻层计算出的切变指数之间，各层间的风切变指数变化幅度和趋势各有不同。因此，如果计算相邻高度的风速时，则应用相邻高度间计算得到的风切变指数；如果计算相差较大的高度间的风速时，则考虑使用总切变指数。

2)风切变指数钩刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈现低层风切变指数高，高层风切变指数低的规律。全天风切变指数波动较频繁的是桃花尖风场，钩刀咀风场测风塔处表现出梯度风变化较小。3个测风塔处的风切变指数的变化均表现出日出前和日落后切变指数较大。年变化波动最大的是钩刀咀风场，另2个风场年变化波动较相似。钩刀咀和桃花尖风场风切变指数秋季最小，夏季最大。水槎风场冬季最小，春季最大。

3)影响风切变指数的因素主要有地形、地表粗糙度、大气层稳定性，其中地形和地表粗糙度是影响局地风切变指数的主导因素。

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TheStudyonWindShearIndexofWindEnergyResourceAssessmentinJiangxiMountainWindField

PENGWANG Minzi,CHEN Shengdong,YAO Lin

(Meteorological Science Institute of Jiangxi Province,330046,Nanchang,PRC)

This paper study on the wind shear index change characteristics of mountain wind field in Jiangxi Province by using the observed data of 70-meter-high wind tower.Features and laws of diurnal,monthly and seasonal variation wind shear index of the three mountain wind field are described and summarized.The analysis show the topography and surface roughness are the main factors affecting the wind shear index in Jiangxi province mountain wind field.The result can provide reliable reference for the design and operation of Jiangxi province high mountain wind electric field.

mountain;assessment of wind energy resource;wind shear;index calculation

2014-07-14;

2014-08-14

彭王敏子(1982-),女，江西南昌人，硕士，工程师，主要从事气候可行性论证与大气环境影响预测评价。

江西省气象局青年人才培养项目：“江西山地风场测风数据质量控制的优化研究”(编号:JXQX2014Q02)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.010

TK81

A

1001-3679(2014)05-0613-04