山区风资源特点和对风电机组、风电场设计的建议_图文_百度文库
山区风资源特点和对风电机组、风电场设计的建议
南方十三曹ｆ匡、市）水力炭宅学会秘窄麦会议硷文亲
山区风资源特点和对风电机组、
风电场设计的建议
洪祖兰张云杰
云南?昆明６５００５１）（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院
【摘要】山区风资源的主要特点有：大风季对应干季，小风季对应湿季，风电与水电在季节上具有互补性；近地层上层与下层风速的日变化和风向出现差异；风速切变系数较小且不是常数，某些高度问风速出现负切变现象；风速的频率分布比较接近正态分布；同一测风塔不同高度间风速相关性好；同一风电场各测风塔间风速相关性不好等。
以山区风况特点为基础，建议开发直驱型风机，研究立轴涡轮式风机，适当降低风机额定风速，加长叶片长度，缩小单排布置的风杌组阁距，重视风机散热、风塔防雷和基础不均匀沉陷等。
【关键词】山区风资源特点机组参数风电场设计
我省适合建并网风电场的场址，主要分布于海拔２５００ｍ以上的山区。高海拔山区的风况特征与平原和沿海地区有较大差异。
１风资源特点
大理市大风坝１号测风塔位于东经１００口１２’２２”，北纬２５０３１’５８．７”，海拔２８１６ｍ，塔高６０ｍ。目前测风塔的测风仪，每ｌｏ分钟记录一次１０分钟平均风速，每年共有５２５６０个数据。为便于分析，本文采用各月日小时平均风速作为分析的基础。１．１风速的年特点
１号塔月平均风速、月最大风速、月最小风速的年过程曲线见图１。
风速的年特点如下ｌ
１）大风季对应干季，小风季对应湿季。
由图１，自１１月至次年５月的月平均风速高于年平均风速，为大风季，对应为干季冰文的枯期）；６。１０月的月平均风速低于年平均风速，为小风季，对应为湿季（水文的汛期１。
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云南山区风电场选址的方法问题
全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计云南山区风电场选址的方法问题张云杰洪祖兰张箭 （中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院）摘要：云南省风电场选址的重点是广大的山区，选址的主要难点是山区缺测风资料。从云南省实际情况出发，提出风电场选址的１６字思路－－Ｎ论研究、内业设
想、实地印证、综合分析。本文将地形等因素对风速的影响总结、归纳为８种效应，结合云南省山区的特点，提出７类地址作为风电场 选址的重点对象。最后对选址工作的方法和步骤作了总结。 关键词：山区风电场：选址思路；地形与风速前言２００６年１月１日，《可再生能源法》正式生效。这表明我国开发再生能源，包括风 电进入一个新的阶段。为适应新形势，云南省在完成风资源评价的基础上，进行全省风电场规划。规划的核心是风电场的选址。．通常，风电场选址以测风资料为主要依据。云 南省气象台站除个别台站建于山区外，其余均位于平坝地区，其测风资料不能反映山区的实际风况。据《云南省风能资源云南省风能资源评价报告》，云南省平坝地区风速较 低，几乎无建并网风电场的地址。云南省广大山区由于地形等特殊条件，造就了若干具 备建风电场条件的地址。山区成为云南省风电场选址的重点。鉴于云南省山区普遍缺乏测风等气象资料，在风电场规划工作中，必须解决在缺乏测风资料的情况下，如何进行 选址的方法问题。为此，本文对风电场选址的方法作了初步探讨。１风电场选址的重点和难点１．１选址的重点云南省现有气象台站１２５个，包括已撤消的８个，有测风资料的台站共计１３３个。在 １３３站中，只有太华山、大山包（已撤消）两站为高山气象站，其余１３１站均建于城镇 附近，且绝大多数位于平坝区。据１３３站测风资料统计：年平均风速０．５―２．Ｏｍ／ｓ的７３ 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计站，占总数的５４．８％，２－一３ｍ／ｓ的４７个，占３５．３％；３――４ＩＩｌ／ｓ的９站，占６．８％；４＿一５．５ｒｎ／ｓ的４站，占３．１％，其中太华山站年平均风速最大，５．４ＩＩｌ／ｓ；其次为大包山站，５ｍ／ｓ。 据《云南省风能资源评价报告》１９７１．２０００年５６站风速资料的计算成果，云南省除 太华山有效风功率密度＞１５０ ｗ／ｍ２外，其余站均小于ｌＯＯｗ／ｍ２，低于功率密度３级规定指标（１０ｒｅ高风功率密度为１５０．２００ｗ／ｍ２）。我国把风功率密度由小到大分成７个等级， 作为评价风资源的标准。分级标准指出；只有风功率密度达到或高于３级规定指标的风资源，才具备建并网风电场的较好条件。详见ＧＢ／Ｔ１８７ｌｏ＿吨００２《风电场风能资源评估方法》。用平坝地区气象站的测风资料计算得到云南省风功率密度的数据说明，云南省 几乎无建风电场的地址。据此，有关部门将云南省列入我国风能最小区或风能贫乏区。 尽管如此，这并不能说明云南省无建风电场的可能。大气环流虽有普遍规律，但局 部地形对风速有很大的影响。例如太华山站与昆明站相距不到１５ｋｍ，高差约６００ｍ，太华山站年平均风速５．４州ｓ，昆明站年平均风速２．１ｍ／ｓ，前者为后者的２．５７倍。大山包站与鲁甸站平距不到３０ｋｍ，高差约２０００ｍ，大山包站年平均风速５ｍ／ｓ，鲁甸站年平均风速２ｍ／ｓ，前者为后者的２．５倍。相邻两地年平均风速巨大差异，主要是海拔高差和特殊 地形因素造成的。云南省拟开发的山区风电场测风塔的测风资料进一步说明：利用局部地形对风速的显著影响，可以找到建风电场条件很好的地址。云南省某山区风电场１号测风塔海拔约２８９０ｍ，与县气象站（年平均风速２．７ｒｎ／ｓ）相距不到２０ｋｍ，高差约９００ｍ，年平均风速 前者为后者的３．３倍。１号测风塔ｌＯｒｅ高年平均风速８．５６ｍ／ｓ，年平均风功率密度４１８ ｗ／ｍ２：３０ｍ高平均年风速８．７２ｒｎ／ｓ，年平均风功率密度４３４ ｗ／ｍ２；４０ｍ高平均年风速９．１２ｍ／ｓ，年平均风功率密度５０２ｗ／ｍ２，在不考虑空气密度修正情况下，超过风功率密度３级规定指标，达到风功率密度５级规定指标（５０ｍ高风功率密度５０（Ｐ－－６００ｗ／ｍ２）。 云南省国土面积３９．４万ｋｍ２，其中山区（包括高原）占９４％，面积约３７万ｋｍ２。初 步研究分析和实地查勘表明：在如此大的范围内，有不少与１号塔所在地地形条件相似 的风电场地址和其他类型适宜建风电场地址。因此，云南省风电场选址的重点在广大的山区。 １．２选址的难点风功率密度的计算公式如下：Ｐ：ｉ１ｐ Ｖ３ 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计式中：Ｐ＿一风功率密度，ｗ／ｍ２； ｋｇ／ｍ３；ｍ／ｓ。ｐ一空气密度，Ｖ－一风速，由上式可知，功率密度与风速的３次方、与空气密度的１次方成正比。影响风功率 密度的最主要因素是风速。由于云南省风电开发起步较晚，山区普遍缺乏测风资料，是 山区风电场选址的第一个难点。其次，云南省要找风速大的风电场地址，海拔通常在２５００－－３５００ｍ。初步估计其空气密度比标准值（１．２２５ ｋ∥ｍ３）低约３０％左右。鉴于风功率密度等级指标是按标准空气密度确定的，因此云南省风电场要达到规定的功率密度，风速应当比规定值更高。第三，湍流强度是建风电场的重要指标，它对机组性能和寿命有直接影响。云南省 气象台均无风速脉动观测记录，无法进行湍流强度计算。因此在风电场选址时，湍流对 风电机组运行可靠性的影响无法准确预测。 第四，由于缺乏高山区的冰凌、浓雾、大雪、雷暴、极端气温等灾害的观测资料，对风电机组未来运行条件的确定缺乏科学依据。 综上所述，缺乏山区气象观测资料，尤其是缺乏山区测风资料是云南省风电场选址的主要难点。２与风电场选址有关的风速理论本文将与风电场选址有关的风速理论，整理、总结、归纳成以下８个效应。２．１风速随高度上升增加效应――风切变幂律在近地层中，风速随高度上升而呈幂函数变化的规律称为风切变幂律。造成风垂直变化的主要因素是地面粗糙度和大气垂直稳定度。当只考虑地面粗糙度对风速的影响 时，风速随高度变化服从普朗特经验公式推导的风切变幂律公式：Ｖ２＝．Ｖｌ（Ｚ２／ＺＩ）ａ 式中； Ｚｌ、Ｚ２一同一地点离地面的垂直高度，ｍ； ｖ１、ｖ２―对应高度的风速，ｍ／ｓ：ａ＿风切变指数，有测风资料时， ｌｏｇ（Ｖ２／Ｖ１）ａ＝ｌｏｇ（Ｚ：／Ｚ１）。 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计切变指数ａ反映风速随高度增加的快慢；ａ值大表示风速随高度上升增加快，风速大；反之则增加慢，风速小。切变指数ａ与地面粗糙度有关；风经过粗糙的表面产生能量损失，从而降低了风速， 因而ａ值较小；风经过光滑表面，能量损失较小，对风速影响较小，风速较大，因而ａ值 较大。 据有关文献资料，切变指数ａ变化范围一般为１／８一ｌ／２，当无测风资料时，切变指 数ａ可以取近似值１／７＝０．１４３，相当于地面为短草的粗糙度。 云南省风电开发起步较晚，现有测风塔数量少，资料长度短，据此计算的切变指数 值在较大范围内变动，有的甚至相差达一个数量级。产生这种现象可能是山区气流不稳定造成的。只有在大量资料积累的基础上，通过科学分析和归纳，总结出适合云南省山 区的风切变规律，才能指导云南省山区风电场选址工作。２．２气流经山脊时的挤压、增速效应一伯努利效应 当气流越过山脊时，气流被压缩并加速，称为伯努利效应。 实验证明，当山脊走向与风向垂直时，过山脊时风速约为山脊前风速的两倍。据风 功率密度计算公式，当风速增加ｌ倍时，风功率密度增加７倍。这就是在山区选择风电场常常把山脊作为首选对象的理由。详见图ｌ、２。建于山脊的测风塔的不同高度的测风数据表明：伯努利效应仅仅发生在山脊以上厚 度相对不大的空气层内，它对山脊以上某个高度以下空气层的风速影响显著，超过这个 高度对风速影响很小，有的甚至出现负切变现象（高度增加风速反而下降）。因此出现这 种现象的山脊风电场，风机轮毂高度不必太高。最大风速区ｌｉｌｌ葚裁掌图２二鬻鼍富鬻２．３气流经过孤峰（或山丘）的绕流效应 气流经过孤峰时，受到山峰的阻挡，气流向孤峰两侧绕流，形成气流加速，称为绕 流效应。１００ 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计据国外有关观测资料：在孤峰与主风向相切的两侧的上半部是安装风机的最佳位 置，其次是孤峰的顶部。有关文献报道，空气向两侧绕流提高了风速，越过孤峰的风速约为峰前风速的１．５倍，风功率密度增加２．４倍。 ２．４迎风向山脊哑口（或鞍部）的增速效应一哑口效应当气流经过迎风向山脊的哑口时，哑口两侧的气流受山脊的阻挡，气流向哑口运动， 增加了哑口气流量，从而使风速增加，称为哑口效应。 鞍部地形是两侧比较开阔的、坡度较缓的哑口。。 ２．５狭管增速效应当气流从开阔地带进入峡谷（或峡长形盆地）时，由于过流断面的缩小，据流体连续性原理，气流必将加速，形成强风，这种效应称为狭管效应。由狭管效应增速的风称 为峡谷风或穿堂风。狭管效应在峡谷或盆地的收缩段，俗称葫芦口尤为明显。 ２．６地面摩擦减速效应 气流经过地面，与地面发生摩擦，消耗了能量，风速的高程廓线发生变化，使近地层风速降低，产生减速效应。粗糙的地面比光滑的地面多消耗能量。因此，经过粗糙地 面气流的风速，比经过光滑地面气流的风速更小。 ２．７背风坡减速效应 当气流越过迎风坡进入背风坡时，由于山顶地形的阻挡，使气流产生湍流，在背风坡形成不大的死区。湍流不仅降低了风速，并可能造成风机的振动。２．８水汽凝结现象伴生的减速效应露、霜、雾、雾淞等都是水汽凝结物。露、霜形成的必备的条件之一是无风。辐射雾形成条件之一是低层风速微弱（１―３州ｓ）。静风和微风有利于晶状雾淞的形成。由此，出现露、霜、辐射雾、晶状雾淞等水气凝结现象时，当地伴生减速效应：无风 或仅有微风。综上所述，前５项地形使风速提高，有利于风电场选址；地面粗糙度大的地区和背风坡使风速降低，不宜选为风电场。经常出现露、霜、辐射雾、晶状雾淞等水气凝结现 象的地区，选择风电场应当综合分析、权衡利弊，慎重决策。３有关风电场选址重点对象的建议根据前节理论，结合云南省山区的实际情况，提出如下７类风速可能较高的地址，１０１ 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计作为风电场选址的重点对象。 ３．１迎风向山脊迎风向是指山脊的走向与当地的主风向成正交或大角度相交。 据云南省情况，山脊的高度要适中，山脊高度最好在海拔２５００ｍ一３５００ｍ。高程太 低风速不大；高程太高则空气密度太低，且交通、施工、运行条件恶劣。两者均不利风电场的建设。 按容量不小于１００００ｋＷ计，山脊长度应不短于３ｋｍ。当山脊较窄时，风机可采用单排布置，塔间距可适当缩小。当山脊较开阔、高差起伏不大时，则有利于风塔双排或多排布置，塔间距应适当加大。高程在３０００－－－－３５００ｍ的山脊，多数为草甸、荒地或裸岩，因此工程占地问题比较简单。 云南省高海拔山区，冬季常常发生冰凌、浓雾、大雪等灾害、不利于机组运行。云南省金沙江、澜沧江、怒江、元江、南盘江、和伊洛瓦底江等六大水系间的分水 岭，其走向与云南省主风向呈较大角度相交的地段，有利于风电场的建设；走向与主风 向小角度相交或平行的地段，如果分水岭地形较开阔，可采取迎风向多排风机布置，可能建设规模较大的风电场。大水系分水岭，尤其在位于滇西的部分地段，风速很高。据有关文献介绍，伊洛瓦 底江与怒江分水岭高黎贡山，年平均风速高达８．７ｍ／ｓ。但当地海拔过高，空气密度过低， 交通很不方便，施工及运行条件很差，不宜进行大规模开发，只能选择其中开发条件较好的局部地段进行先期开发。 支流间的分水岭和盆地边缘的高山脊是我们工作的重点对象。这两类山脊数量多，海拔一般在３０００ｍ以下，离城镇较近，交通比较方便这些山脊常常是当地的草山和重 点发展的牧区。开发风电不仅不影响畜牧业的发展，还为当地增添风光独特的高山旅游景点。 云南省有些公路沿支流间的分水岭修建，可为那里建风电场提供交通运输条件，值 得我们关注。 ３．２高台地高台地是指与周围的地形相比海拔更高、地形起伏相对不大、范围较大的地区。风 速较高的高台地有条件布置多排风机塔，常常是规模较大风电场地址。较开阔的山脊可视为长条形高台地。 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计云南省高台地主要分布于滇东北和滇西。高台地常常是高山草甸或旱地。 高台地由于海拔高，同样存在施工和运行条件较差的问题。高台地不一定具备高风速，这一点应引起我们特别的重视。例如滇西丽江太安一高美古一带，地形上属于高台地。但风季晴朗日下午实地测得的风速很小。有的高台地如 丽江九子海地区，初次测得的风速很高（１７ｍ／ｓ），但设塔测风统计得到的年平均风速较 低（４ｍ／ｓ）。滇东北昭通大山包则是高台地具有高风速的典型例子。但它涉及省级黑颈鹤自然保护区。开发风电场是否会影响黑颈鹤栖息条件，风电场布局如何避鸟道以及设置预警装 置等问题，需要研究。 在选择高台地作为风电场时，可参考这些实例，以提高选址的成功率。 ３．３风口地区 云南省航测地形图常常标注以风命名的地区，例如：紧风垭口、大风垭口、二风口、三风口、风力坡、风流坡项、大风坝等地名，是测绘部门调绘时根据实地调查，以当地居民习惯叫法定名的。这些地区常常是名副其实的风速较高的地区，应是风电场选址的 重点关注地区。 在众多的风口中，只有风速较大且风口两侧山坡相对开阔和平坦，有条件采取多排 风塔布置，形成较大规模的风口，才能建设风电场。滇东北有三个风口，风速较大，但 无建风电场的场地。滇西某风口不仅风速大，且风口以上两边地形开阔，初步估算可建 大型风电场。 风口的高风速常常是风口所处的山脊有高风速的一种信号。 要特别注意连绵高山脊线的端点或中间鞍部高度骤降形成的风通道，也就是范围较 大的风口。这些地方常常是建风电场的较好地址。例如滇西苍山脊线南端，海拔由４０００ 多米骤降至２５００－－３０００ｍ，形成著名的下关风。 风口增速是垭口效应的具体表现。 ３．４顺风向的长条形盆地（或地槽） 本节所指的地形，应具备能形成风通道，以产生狭管效应的下列特征： （１）顺风向指条形盆地的长方向与主风向一致或小角度相交。 （２）盆地两侧有高山或较高山。 （３）迎风侧通道较顺畅。 丽江坝子是具备上述地形特征的典型例子。丽江坝子海拔约２３００ｍ，长约２０ｋｍ，１０３ 全国风力发电技术协作网第二届年会论文集环境与设计宽约５ｋｍ，呈东北一西南向分布。东西两侧有高山，西侧为著名的玉龙雪山。南侧与鹤 庆坝子相通，中间无高山阻隔。鹤庆方向南来气流可比较顺畅进入。西侧南来气流受高 山阻挡后产生绕流，也进入丽江坝子通道，增大了通道的气流量。上述地形特征产生狭 管效应和绕流效应，是形成丽江白沙一带大风的重要条件。 ３．５微波通讯中继站（包括电视塔）附近地区 某些控制范围较大的中继站和电视塔，通常位于海拔较高，附近地形开阔，通视条件良好的地区，有利于形成风的通道，可能成为较好的风电场地址。建中继站和电视塔一般都要修公路，也为建风电场的前期工作和施工提供方便。其 次若能利用塔身安装测风仪器，收集风速、风向等资料，则可以节约风电场的前期工作费用。 ３．６风力形成植物永久变形的地区植物长期受风力作用导致明显的永久变形，主要表现为树木的树干倒向某一方向， 可以说明当地主风向；其次从变形的程度可以说明风力的大小和持续时间。通常年平均 风速的大小是树木变形程度的主要因素。树木变形程度还与树种和树龄有关。 在缺乏山区测风资料的情况下，风力作用下形成的植物永久变形现象，是判别当地 风速高低和主风向的难能可贵的重要标志，应作为风电场选址的重要依据。 ４．７滇东喀斯特高原孤峰群滇东喀斯特高原广泛分布孤峰群。孤峰群亦称风峰林地貌。这些孤峰的相对高程约 １００－－２００ｍ，本身就是一群风塔。当孤峰群的地面风速较大加上高度效应和绕流效应的作用，孤峰的峰顶风速将达到地面风速的数倍，很可能是风电场的合适地址。孤峰通常基岩裸露，地质条件较好，也不占林地和农田。在孤峰顶建风塔，施工和运输条件是最主要的制约因素。鉴于目前利用直升机参与风电场施工尚不现实，孤峰群可作为远景风电场开发对象。４选址思路从云南省风电场选址重点和难点的实际情况出发，提出选址十六字思路：“理论研 究、内业设想、实地印证、综合分析”。“理论研究’’――要研究风速与地形、气候以及植物变形有关的理论，以理论作为 风电场选址的指导。“内业设想＂――在理论指导下，在地形图上钩出符合理论的可能建风电场的地址，并提出开发的设想方案。“实地印证＂――对设想方案进行实地查勘和访问，了解当地的风况和建场的各种条件，并进行实地测风。“综合分析＂――对建场各种条件进行综合分析，作出该地址是否可建风电场的初 步判断。上述四步是一个有机的整体：没有理论研究就不可能有内业设想；没有实地印证， 内业设想可能是空中楼阁；没有综合分析就不可能作出全面、正确的判断。参考文献：【ｌ】ＧＢ厂ｒ１８７ｌｏ＿―－２００２《风电场风能资源评估方法》，２００２年４月２８日。【２】《云南省风能资源云南省风能资源评价报告》，云南省发发展和改革委员会、云南省农业气 象与卫星遥感应用中心，２００５年９月。 【３】《风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册》，中国科技文化出版 社，２００５年８月 【４】＜气象学和气候学》，周淑贞主编，人民教育出版社。您所在位置： &
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2009~：W]总第167期
山区风电场50年一遇悬 堡 望堡苎
山区风电场50年一遇最大和极大风速估算
中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051
摘 要 ：风电场5O年一遇最大和极大风速
合称安全风速 是风电设计中的两个重要参数，受理论研
究水平、资料条件等因素制约，目前尚无较为可靠的计算方法。对于山区风电场来说，地理位置、
地形、资料等条件均不如平原和沿海地区，安全风速估算是山区风 电场设计中的一大难点。本文通
过云南某风电场的设计，以测风塔及相关气象站的实测风速资料为基础 ，进行 了5O年一遇最大和极
大风速的估算分析，总结了几种较为可行的计算方法，可供相关设计人员参考。
关键词：山区风 电场；5O年一遇最大风速 ；5O年一遇极大风速
EstimationofM aximum andExtremeW indSpeedin50YearsatW indPower
StationinM ountainArea
HydrochinaKunmingEngineeringCorporation，Kunming650051，Yunnan
Abstract：Themaximumandextremewindspeed collectivelycalledsafetywindspeed in50yearsatwindpower
stationaretwosignificantparametersinwindpowerdesing Subjecttolimitationsbysuchfactorsastheoreticalresearch
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mounatinarea，conditionslikegeographicalposition，terrainandmaterialsareinferiortothoseinplainandcosatlraeas，
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ThroughthedesignofonewindpowerstationinYunanprovince，andbasedontheactualwindspeeddatameasured
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