风力发电对风电场内近地表风速的影响

2024-01-16温美沙

河北北方学院学报(自然科学版) 2023年11期

朱静，温美沙

(1.张家口市第四中学，河北张家口 075000；2.河北北方学院理学院，河北张家口 075000)

风力发电是清洁和可再生能源，是世界各国大力发展的新能源之一。大力发展风力发电产业，既是培育新的经济增长点、转变经济发展方式的有力抓手，又是实现能源可持续发展、应对气候变化的重要举措。然而，风电开发对生态环境的影响一直受到社会关注，风电开发与生态环境保护之间的矛盾愈发尖锐，势必会阻碍风电产业的持续健康发展。在碳中和的大环境下，可再生能源的开发和生态环境的保护同等重要。国外的风力发电建设比较早，比如丹麦的风车早已闻名于世界。国内的风力发电起步比较晚，但是国内风力发电的发展速度比较迅速。

1 研究现状

1.1 国内研究进展

李国庆和赵宗慈都认为风力发电过程中会吸收气流的动量，从而使下游地区风速减小20%～40%，影响范围达到30～60 km，这一影响范围可能会随风电场规模增加而增大。所不同的是李国庆主要运用模型模拟的方法，而赵宗慈主要运用观测和数值模拟两种方法。胡菊的研究发现，在下垫面不均匀情况下，风力机下游的湍流也会不对称；当地表不均匀时，风机会造成风速减小0.3～0.5 m/s，在地表均匀的情况下，风机会使风速减小幅度更大。因此地貌会影响风电场内风速的大小。而李彩娟分析表明，装机容量的增加没有使张家口地区的风速减小，而是使张家口地区的风速逐年增加。她主要运用SAS软件，做年风速与装机容量、年装机台数、新增装机容量之间的相关性分析，结果显示它们之间没有显著的相关性；进一步分析了各个因素的平方的相关性，并得出线性回归方程，结果表明相关性显著。

1.2 国外研究进展

对丹麦一个风电场的观测数据进行计算发现，如果进入风电场的风速为8～9 m/s，风电场的运行对于动量有所吸收，同时在70米处的风机还存在摩擦力作用，由此导致在风电场的下风方向风速会明显降低，其中下风方向6 km的风速和原有风速的比值是0.86，在8 km处的比值是0.88，即使之后有所回升，到11 km处，比值已经达到0.9，但是仍然不能回到最初的风速。Keith应用两个全球环流模型(geophysical fluid dynamics laboratory，GFDL)及国家大气研究中心(national center for atmospheric research，NCAR)发现大规模的利用风电，风电机的运行会提取空气中的动能进而改变大气边界层内的湍流运输。东京大学 Wang等利用全球大气-海洋和陆地完全耦合模式系统 CCM3，考虑各种限制因素，将各种限制因素设置理想状态进行论证，结果发现，风电场的设置使近地面风速发生变化。Porte-Agel主要应用大涡模拟风电场对当地气象潜在影响研究，结果表明，风力机降低当地风速。

国内外的大量研究表明，风力发电可能会影响当地的土壤、降水、鸟类迁徙等，自然环境牵一发而动全身，自然要素发生变化，从而导致局部气候发生变化[2-13]。鉴于此，通过科学的研究分析，有效预测可能出现的环境问题，提前做好预防措施是必要的。本文通过实测获得近地表风速，研究风力发电对风电场内近地表风速的影响。鉴于内蒙古自治区风力资源十分丰富，装机规模和装机速度位于全国第一位，此次采样调查的风电场最终定于巴彦淖尔市乌拉特中旗。

2 研究区域概况及研究方法

2.1 研究区域概况

2.1.1 地理位置乌拉特中旗地处内蒙古自治区巴彦淖尔市，经度107.27°～109.7°E，纬度41.12°～41.47°N。北边与蒙古国接壤，国界线有184 km，东面与包头市相邻，南与乌拉特前旗、临河区、五原县、杭锦后旗相邻，西是乌拉特后旗。乌拉特中旗有丰富的风能资源，是内蒙古自治区最佳风能区之一。一年中平均风速≥8 m·s-1的时数在北部是2 382 h，占全年的27.2%，中部为871 h，占全年的93%。乌拉特中旗历年平均大风(风速≥17 m·s-1，8级)日数为28～74 d，最多的年份达到60～129 d，最少也有4～34 d，春季大风日数是15～26 d，占全年的35%～53%。

2.1.2 地形地貌乌拉特中旗在内蒙古高原西部，因为阴山山脉东西走向的二狼山、乌梁素太山、查斯太山的存在，导致乌拉特中旗被分割成南北不同的自然地貌，地域变化或过渡差异明显，可以分成南部平原区和北部高原区。

2.1.3 风电场概况风电场位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特中旗海流图镇，经度108.39°E，纬度41.99°N。隶属于神华集团内蒙古分公司内蒙古国华能源投资有限公司，风电场内共有266台风机，2011年至2016年分批运行，共5期。每台风机的装机容量1.5 MW，共投资49 738万元。此风电场所处地势平坦，有利于对风电场内近地表风速的研究。

2.2 风速采集过程

2.2.1 风速采集仪器环境气象数据记录仪、监测仪U30-NRC，安装方便，适用范围广泛。可以通过HOBOware Pro software来测量，可以同时记录分析15个以上的环境数据通道。该仪器具备坚固耐用外壳，可以防备恶劣天气，同时防损。配备有即插即用的传感器，快速方便。可以通过USB快速传送数据，可选模拟输入传感器。支持大范围的测量。正常操作范围在-20～40 ℃。

2.2.2 风速采集过程及采样点

① 确定风力发电场中相对独立的风力发电机(距离其他风力发电机距离≥500 m)为取样对象，确定当时的主风向，在沿着主风向的方向上，距风机前500 m处架设测量风速仪器，以确保该参照点所测风速为旷野风速。记录所取采样点位的经纬度以及海拔，风杯所处高度自下而上风别是0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m，记录不同高度所对应的风杯编号，启动仪器，直至采样结束关闭仪器。

② 沿着主风向方向，在风力发电机前20 m，记录所取采样点位的经纬度以及海拔，架设测量风速仪器，记录不同高度所对应的风杯编号，启动后测量时间为10 min。

③ 停止风速测量仪器导出数据，观察数据是否获取以及仪器使用是否正常。

④ 在风力发电机后20 m，垂直主风向，架设3台测量风速仪器，记录不同高度所对应的风杯编号，3台仪器间距30 m，启动仪器，每台仪器测量时间为5 min。同时记录所取采样点位的经纬度以及海拔。

⑤ 5分钟后，将仪器平行向后挪至距离风力发电机50 m处，3台测量仪器的测量时间依旧为5 min。以此类推，距离风力发电机的距离依次为20、50、100、300、500 m。

⑥ 采样结束，将测量数据导入电脑以及U盘，关闭风速测量仪器，对风速测量仪器进行拆卸。采样点如图1所示。

图1 采样点示意

2.2.3 数据处理将不同时间不同实验点的数据进行整理，初步通过Excel对数据进行处理，求出实验点与参照点的平均风速。

1)风速廓线的概念及计算

风速廓线又称平均风速梯度或风剖面。表示平均风速沿着高度变化规律的曲线。是风的重要特性之一。风廓线通常有两种描述方法：一种是对数描述，一种是指数描述。

① 对数法

在离地面高度100 m以内的大气层中，剪切应力可以忽略不计。这时的风速廓线为普朗特对数规律分布。

U(z)为离地面Z高度的平均风速；U*为摩擦速度；K为常数，一般取0.4；Zd为零平面位移，对应城市地貌；Z0为地面粗糙度，其对应值为表1。

表1 不同地形地面粗糙度单位：m

近年来研究发现，风速廓线的对数分布规律占大气层高度的10%，所以在100 m之内，风速廓线的对数分布规律都是有效实用的[14]。

② 指数法

U(z)为离地面Z高度的平均风速，Ur为参考高度处风速，Z为高度，Zr为参考高度，a为地面粗糙度指数。不同地形地面粗糙度指数见表2。

表2 不同地形地面粗糙度指数

2)Surfer的应用

风力发电对不同高度风速流场变化的影响主要运用Surfer进行处理研究。Surfer是由美国Golden Software公司开发的一款绘制三维立体图的软件，该软件插值功能和绘制图件能力非常强大。利用Surfer可以绘制基面图、数据点位图、等值线图、分类数据图、矢量图线框图、地形地貌图、趋势图等多种立体图。本文利用surfer绘制距离风电机不同距离的风速变化图以及不同高度的相同距离的实验点的风速变化立体图。

3 分析与结果

3.1 风速廓线分析

3.1.1 距离风机20 m风速廓线分析沿主风向方向，在风机前方500 m处，风速不受风机的干扰，将此处所测得的风速作为参照风速。通过测量离风机20 m处的风速与参照点的风速廓线对比，研究风速是否受到风机的影响。距离风机20 m设置2个实验点，分别位于风机前20 m处和风机后20 m处。理论上风机前20 m风速应等于参照点的风速。沿主风向方向，将位于风机前方20 m处的实验点与参照点的风速廓线进行对比，如图2所示，参照点的风速随着距离地面高度的增加而增大，根据风速增长斜率，在距离地面0.2～0.5 m内，风速增加幅度较大。在大部分高度上，风机前20 m实验点的风速小于参照点的风速。出现这种情况可能是风机或下垫面性质对实验点风速产生影响，仍需进一步论证。位于风机后方20 m处设置实验点，其风速与参照点的风速廓线对比如图3所示，参照点的风速变化趋势与实验点变化趋势基本一致，都随着高度的增加而增大，在距离地面0.2～1 m内的风速增加幅度比较大。实验点风速小于参照点风速。

图2 风机前20 m风速廊线对比

3.1.2 距离风机50 m风速廓线分析沿主风向方向，位于风机后方50 m的实验点与参照点风速廓线对比如图4所示，实验点与参照点的风速随着距离地面高度增加而增大，实验点与参照点都在距离地面0.2～0.5 m处风速增加幅度较大，整体上两者风速差别不大，但实验点风速还是稍低于参照点风速。

图4 风机后50 m风速廊线对比

3.1.3距离风机100 m风速廓线分析沿主风向方向，位于风机后方100 m的实验点与参照点的风速廓线对比如图5所示，风机后100 m实验点与参照点的风速都随着高度的增加而增大，而且它们的变化趋势大致相同。与之前实验点不同的是，在0.2～2 m风机后100 m实验点的风速大于参照点的风速。

3.1.4 距离风机300 m风速廓线分析沿主风向方向，位于风机后方300 m处的实验点与参照点的风速廓线对比如图6所示，风机后300 m实验点在距离地面0.2～0.5 m之间风速增加幅度较大，在距离地面0.5～2 m范围内，风速近乎于匀速增长。参照点的风速在距离地面0.2～1 m，风速增加幅度较大。在1～2 m，风速增大幅度有所减小。在大多数高度范围内，风机后300 m实验点的风速小于参照点的风速。

3.1.5 距离风机500 m风速廓线分析位于风机后500 m处的实验点与参照点的风速廓线对比如图7所示，风机后500 m实验点在距离地面0.2～0.5 m之间的风速增加幅度比较大，在距离地面0.5～2 m风速持续均匀增长，增加的幅度有所减弱。参照点的风速在距离地面0.2～1 m大幅度均匀增长，在距离地面1～2 m风速增加幅度有所减弱。在大多数高度范围内，风机后300 m实验点的风速小于参照点的风速。