西藏超高海拔地区风能资源特性分析

2020-03-18刘志远

水电站设计 2020年1期

刘志远

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

按照国际上通行的海拔划分标准[1]，3 500～5 500 m即为超高海拔。我国超高海拔地区主要分布在西藏的绝大部分地区、四川的凉山及甘孜地区、云南的滇西及滇西北地区等，其中西藏绝大部分地区海拔高度均在4 000 m以上。根据第四次全国风能资源普查成果，西藏超高海拔地区风能资源尤其丰富，全区风电技术可开发量超过千万千瓦，主要集中在海拔4 800 m以上区域。在当前国内内陆风资源丰富区开发趋于饱和，可再生能源补贴退坡机制的背景下，丰富的风能资源带来的超高发电小时数，可有效缓解开发企业在项目投资收益方面的压力，未来广阔的超高海拔地区势必成为风能开发利用的一个重要区域。

但当前超高海拔地区风电开发整体仍处于滞后状态。经调研，国内外5 000 m以上海拔高度风电开发尚处于空白；西藏目前仅有国电龙源那曲高海拔试验风电场在役，装机规模0.75万kW，平均海拔高度约4 600 m，是国内已运行的最高海拔风电场。根据自治区“十三五”综合能源发展规划，计划到2020年底，全区风电累计装机规模达到20万kW，远未达到规划目标。除了电网构架、负荷消纳、开发成本等客观因素之外，制约风电开发的最大瓶颈在于超高海拔风电机组技术。相比一般高海拔地区，超高海拔地区气象条件更加复杂，通常具有“超低温、大风速、低密度、负切变、强辐射、频雷暴”等显著特点，复杂的气候气象条件对风电机组的适用性提出了更高要求。除了设备本身对特殊环境的适应性，该类地区风资源独有的特性研究对机组设备的研发也至关重要，直接影响机组能否充分捕捉风能资源，实现发电效益最大化。本文对西藏超高海拔地区风资源特性进行初步探究，为超高海拔机组研发提供一定的研究成果和参考依据，为该类地区风电大规模开发做好充足准备。

1 基础数据

选取西藏地区已建成的12座代表测风塔实测数据为基础数据，选取的测风塔分布于拉萨市、昌都市、山南市、日喀则市、那曲地区以及阿里地区，覆盖海拔高度梯度范围介于4 550～5 230 m之间，且1～12号测风塔海拔高度不断增加。12座代表测风塔基本情况如表1所示，其选取原则如下：

(1)测风塔海拔高度梯度分布应基本能够覆盖超高海拔地区的研究范围。

(2)测风塔地理位置分布应尽量覆盖全区范围，基本能够反映全区情况。

(3)测风塔位置现场地形情况应具备风电开发条件，具有良好的代表性。

(4)测风塔最大测风高度不宜过低，接近风电机组轮毂高度最为适宜。

(5)测风塔实测数据质量良好，有效数据完整率应不低于95%。

表1 代表测风塔基本情况

图1 代表测风塔地理位置分布示意

2 风资源特性分析

本节主要对该类风资源地区的空气密度、风速和风功率密度、风和风能频率分布、风切变、湍流强度、五十年一遇最大风速，这六大基本风况特征参数进行分析。

2.1 空气密度

各代表测风塔平均空气密度计算结果见图2。分析可知，研究范围内平均空气密度基本介于0.686～0.733 kg/m3之间，平均空气密度约为0.708 kg/m3，远远低于内陆其他地区空气密度的平均水平，其主要原因是海拔较高、空气稀薄。而常规风电机组稳定运行的动态功率曲线和推力系数曲线空气密度范围通常不低于0.800 kg/m3，从而导致常规机组在该类地区运行出现明显的叶片失速现象，即机组难以按照额定功率运行，风能捕捉效果明显降低，发电量大幅减少。

2.2 风速和风功率密度

各代表测风塔70 m及以上高度平均风速基本在6.0 m/s以上，风功率密度等级在2级及以上，风资源非常丰富。受大气的斜压性(热成风)影响，基本上呈风速随海拔增高而增加的趋势。

从风速和风功率密度年内变化分析，小风月基本发生在4～9月，最小发生在8月左右；大风月基本发生在10月～次年3月，最大发生在1月左右，季节性变化明显，呈冬春季风速大、夏秋季风速小的特点。从风速和风功率密度日内变化分析，6～12时，风速和风功率密度较小，10时左右达到最小值；16～22时，风速和风功率密度较大，17时左右达到最大值，个别出现在20时左右。年内和日内整体变化趋势与内陆其他地区基本相同(如图3、图4所示)。

测风塔编号

图3 代表测风塔最大测风高度平均风速和风功率密度年内变化曲线

图4 代表测风塔最大测风高度平均风速和风功率密度日内变化曲线

2.3 风速和风能频率分布

通过对各代表测风塔最大测风高度处风速(见图5)和风能频率分布(见图6)进行分析发现，低于3.0 m/s风速段风速出现累计频率约占全年9%～48%，且随着海拔高度的增加而不断减少；高于20.0 m/s风速段风能出现累计频率约占全年0.01%～25%，且随着海拔高度的增加而不断增加。相比内陆其他地区，该类地区风能利用区间更加宽阔。通常情况下，常规风电机组有效利用风速段(切入风速～切出风速)基本介于3.0～20.0 m/s，该类地区低于3.0 m/s风速段的风能非常少，而高于20.0 m/s风速段的风能却非常多，故采用常规机组可能会导致大部分的风能无法利用，导致资源浪费。

图5 代表测风塔最大测风高度风速频率分布

图6 代表测风塔最大测风高度风能频率分布

2.4 风切变指数

风速垂直切变不仅影响测风塔实测以上高度风速的推导，同时影响风电机组塔架高度的选择，并且对风电机组载荷和发电效率都有一定影响，是最重要风况参数之一。分析可知，该类地区风切变指数整体较小，且有超过一半测风塔均出现负切变，初步判断该类地区70 m及以上高度普遍会出现负切变(见图7)。

以8号代表测风塔为例分析，从地形、地貌和大气热稳定性两方面研究负切变产生主要原因。该塔有负切变现象产生，且近地面通道风速相对较大，最高层通道风速最小，10 m高度实测平均风速约为9.58 m/s，100 m高度实测平均风速约为9.35 m/s。

2.4.1 地形地貌

通过对测风塔处地形地貌分析，该处测风塔地势相对平坦，山脊坡度较缓，沿山脊线高差约60 m。分别取8号测风塔处沿主导风向断面1和垂直山脊走向断面2进行地形分析(见图8)。

图7 代表测风塔最大测风高度风切变指数统计

(1)隆起地形地势非常平缓，顶部地形坡度小于5°，迎风和背风坡度5°～15°，属于斜缓坡，地形导致的加速效应不明显。

(2)50 m/10 m、80 m/70 m两个高度区间内出现正切变，其余高度区间均为负切变，实际情况与低层加速效应不相符合。

(3)地表覆盖物均为荒草或裸露地面，无灌木或高树等，即地表粗糙度也不会对风廓线造成较大影响，即地形地貌会对气流产生一定的影响，但非负切变现象产生的主因。

图8 8号测风塔地形地貌

2.4.2 大气热稳定性

大气热稳定性是指空气受到垂直方向扰动后，大气层结使该空气团具有返回或远离原来平衡位置的趋势和程度，直接影响近地层大气的垂直对流，温度越高垂直对流越强，大气越不稳定。大气热稳定性一般根据理查森数Ri判定，该参数描述湍流运动因抵抗重力所做的功与雷诺应力使平均运动动能转变为脉动动能之比值的大小，与温度梯度有关，见公式(1)[2]。因测风塔只进行一个高度层温度监测，无法直接计算得到Ri值。因气流运动跟太阳辐射有直接关系，本文提出利用太阳辐射定性分析、间接验证，分别进行风速与辐射量日内、年内以及季节变化对比分析。

(1)

式中，θv为虚位温，θv≈θ(1+0.61q)；θ为位温，q为比湿。

从日内变化分析可知(见图9～10)，不同季节辐射量主要集中在6～8时至19～20时之间，此时间段内各高度层出现明显负切变；其他时段不同高度层风速变化幅度不一致，风切变有所不同。其中10 m高度层风速变化最为明显：在0～9时区间内，太阳尚未完全升起，场址区域辐射量较低，风速最小，符合风速随高度增加的正常分布规律；9～20时区间内，太阳完全升起，场址区域辐射量不断增加，风速大幅增加，远远高于其他高度层风速；20～23时区间内，太阳逐渐落下，辐射量减少，风速逐渐减小，直至低于其他高度层。其他高度层风速在不同时段也具有类似变化规律。故基本可判断辐射量的确通过影响气流运动对风切变产生较大影响。

从年内变化分析可知(见图11)，风速与辐射量年内的整体变化趋势有一定的相似性，风速在1～4月呈先增大再减少的趋势，5～12月呈先减少后增加再减少的趋势。大风月主要集中在10月～次年2月，小风月主要集中在3～9月；辐射量在1～5月呈先增大再减少的趋势，6～12月呈先减少后增加再减少的趋势。

从季节变化分析可知(见图12～13)，夏季辐射量最高，对风切变影响最大，综合风切变也最小，为-0.032，依次为春季、秋季，冬季，即风切变大小与辐射量高低成反比关系，且基本以50 m高度为界点。

其他部分安装有测光设备的代表测风塔各月辐射量与风切变基本也呈现类似变化规律(见图14)。

图9 8号测风塔各测风高度平均风速日内变化

图10 辐射数据典型日内变化

图11 8号测风塔风速和辐射量年内变化

图12 8号测风塔辐射量不同季节变化趋势

图13 8号测风塔不同季节风切变拟合曲线

综上分析，该类地区负切变产生的主因为大气热稳定性而非地形地貌。由于昼夜温差较大，白天太阳辐射充分到达地面后，近地层气流因受热而变得极不稳定，乱流逐渐发展，上下层空气间的动量交换增强，大气稳定性极不稳定，结果使下层空气的运动加速，而上层空气的运动减速[3]。由于海拔较高，空气稀薄，导致空气密度也非常低，垂直高度上空气密度随高度的增加而降低，气流受热加速相对滞后或不明显。地表覆盖物如茂密林地等可有效吸收多余太阳的热量，减缓近地层乱流的产生，而西藏大部分地区地表覆盖物基本均为低矮荒草地或裸露地面，光秃的地表吸热能力非常差，热量大部分用于近地层空气的加热，当下层空气不断加速甚至超过上层空气运动速度时，即产生负切变现象，这种现象在辐射量较高的夏季尤为明显，呈季节性变化。