前言：在風資源評估中，我們通常整理出完整一年的輪毅高度處風速數(shù)據(jù)用于計算發(fā)電量，風速值的準確性直接關(guān)系到風能方向頻率、風功率密度等級評定等問題。同時，隨著風力機的大型化發(fā)展趨勢，風力機塔架越高、葉片半徑越長，風切變和塔影效應(yīng)對風力機的影響也越顯著。為此深入分析風切變與塔影效應(yīng)可有助于提高資源評估的準確性以及選擇合適的風機以便捕捉最大風能和改善風機工作性能。
風切變：風切變指風速風向隨垂直高度的變化，通常情況下表現(xiàn)為風速隨高度增加而增加,風向在柯氏力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在某些復雜的山區(qū)地形或大氣層結(jié)不穩(wěn)定時會出現(xiàn)負切變。造成切變的主要原因是由于地面摩擦導致的動力因素和大氣斜壓性導致的熱力因素。
圖1，平面極坐標系內(nèi)表示風隨高度變化和各層垂直風切變的速度矢端圖。
在日常工作中，我們根據(jù)不同高度層的風速值計算風切變指數(shù)，再通過相鄰高度層的風切變指數(shù)或綜合切變指數(shù)來推算得到輪轂高度處的風速值，常采用的指數(shù)模型為：
風切變指數(shù)對于風電場選擇不同輪轂高度的機型具有重要意義。在復雜地形風電項目中需格外注意負切變現(xiàn)象，在出現(xiàn)負切變的地區(qū)，風電機組輪轂高度不宜設(shè)置過高。風切變指數(shù)在不同扇區(qū)以及不同季節(jié)中特征不同(如圖2)。
圖2，某地區(qū)測風塔為例，16扇區(qū)不同月份風切變指數(shù)
傳統(tǒng)的單一指數(shù)模型計算方法(即對不同高度層風速進行相關(guān)性分析得到風切變指數(shù)，在通過設(shè)定切變指數(shù)、溫度梯度進行外推)存在物理背景上的缺陷與不合理性。為更精確模擬風的切變，我們還可選擇不同時間步長、不同扇區(qū)、不同月份等進行分別計算與整合，得到更為符合實際情況，體現(xiàn)風電場周圍氣象要素季節(jié)性變化特征的計算結(jié)果。此外，由于近地面層風速在某些情況下可能會受遮擋，當10m、30m風速對綜合風切變指數(shù)影響較大時，我們在推算中通常不予以考慮，以便于提高較高層次風速推算的準確性。
塔影效應(yīng)：塔影效應(yīng)指風遇到塔架遮擋后改變大小和方向的變化，本質(zhì)上是一個周期性變化過程。在安裝風速儀時，可在同一高度上安裝兩風速儀得到兩個通道的風速序列以盡可能消除塔影效應(yīng)得到更加貼近自然狀態(tài)下的風速值。
現(xiàn)階段常用做法為：由于來自某方向的風受遮擋，風速儀測得數(shù)值比實際偏小，用兩通道同一時刻所得測量值做比(如圖3a)，刪除較小值保留較大值，使同一高度層上同一時刻兩測風塔風速比值接近于1(如圖3b)，則可在一定程度上減小塔影效應(yīng)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。
圖3-a
圖3-b
圖3 通道A與通道B風速比值，(a)處理前，(b)處理后。
在通過同塔插補刪除后的數(shù)據(jù)，即可得到消除塔影效應(yīng)的數(shù)據(jù)。如圖4。
圖4
圖4 插補后通道A與通道B風速比值。
同時，對比前后處理塔影效應(yīng)時AB兩通道相關(guān)性可發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性顯著增加(如圖5)。
圖5-a
圖5-b
圖5 通道A與通道B風速相關(guān)性，(a)處理前，(b)處理后。
最后，由對比分析可知，經(jīng)過處理后的AB兩通道風速值增加，兩通道同一時刻風速差減小，相關(guān)性變好。這符合自然狀態(tài)下不受塔架干擾的風速值特征。推薦在數(shù)據(jù)處理中重視對于塔影效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)的訂正。
結(jié)束語：對于風資源的評估工作而言，前期的數(shù)據(jù)觀測、收集、整理每一步都至關(guān)重要，我們應(yīng)盡最大努力還原數(shù)據(jù)的真實性，做有效合格的資源評估工作。
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