前言：在風(fēng)資源評(píng)估中，我們通常整理出完整一年的輪毅高度處風(fēng)速數(shù)據(jù)用于計(jì)算發(fā)電量，風(fēng)速值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到風(fēng)能方向頻率、風(fēng)功率密度等級(jí)評(píng)定等問(wèn)題。同時(shí)，隨著風(fēng)力機(jī)的大型化發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)力機(jī)塔架越高、葉片半徑越長(zhǎng)，風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響也越顯著。為此深入分析風(fēng)切變與塔影效應(yīng)可有助于提高資源評(píng)估的準(zhǔn)確性以及選擇合適的風(fēng)機(jī)以便捕捉最大風(fēng)能和改善風(fēng)機(jī)工作性能。

　　風(fēng)切變：風(fēng)切變指風(fēng)速風(fēng)向隨垂直高度的變化，通常情況下表現(xiàn)為風(fēng)速隨高度增加而增加,風(fēng)向在柯氏力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在某些復(fù)雜的山區(qū)地形或大氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)切變。造成切變的主要原因是由于地面摩擦導(dǎo)致的動(dòng)力因素和大氣斜壓性導(dǎo)致的熱力因素。

圖1，平面極坐標(biāo)系內(nèi)表示風(fēng)隨高度變化和各層垂直風(fēng)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(fēng)速值計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)，再通過(guò)相鄰高度層的風(fēng)切變指數(shù)或綜合切變指數(shù)來(lái)推算得到輪轂高度處的風(fēng)速值，常采用的指數(shù)模型為：

　　風(fēng)切變指數(shù)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)選擇不同輪轂高度的機(jī)型具有重要意義。在復(fù)雜地形風(fēng)電項(xiàng)目中需格外注意負(fù)切變現(xiàn)象，在出現(xiàn)負(fù)切變的地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度不宜設(shè)置過(guò)高。風(fēng)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(cè)風(fēng)塔為例，16扇區(qū)不同月份風(fēng)切變指數(shù)

　　傳統(tǒng)的單一指數(shù)模型計(jì)算方法(即對(duì)不同高度層風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析得到風(fēng)切變指數(shù)，在通過(guò)設(shè)定切變指數(shù)、溫度梯度進(jìn)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(fēng)的切變，我們還可選擇不同時(shí)間步長(zhǎng)、不同扇區(qū)、不同月份等進(jìn)行分別計(jì)算與整合，得到更為符合實(shí)際情況，體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)周圍氣象要素季節(jié)性變化特征的計(jì)算結(jié)果。此外，由于近地面層風(fēng)速在某些情況下可能會(huì)受遮擋，當(dāng)10m、30m風(fēng)速對(duì)綜合風(fēng)切變指數(shù)影響較大時(shí)，我們?cè)谕扑阒型ǔ２挥枰钥紤]，以便于提高較高層次風(fēng)速推算的準(zhǔn)確性。

　　塔影效應(yīng)：塔影效應(yīng)指風(fēng)遇到塔架遮擋后改變大小和方向的變化，本質(zhì)上是一個(gè)周期性變化過(guò)程。在安裝風(fēng)速儀時(shí)，可在同一高度上安裝兩風(fēng)速儀得到兩個(gè)通道的風(fēng)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(fēng)速值。

　　現(xiàn)階段常用做法為：由于來(lái)自某方向的風(fēng)受遮擋，風(fēng)速儀測(cè)得數(shù)值比實(shí)際偏小，用兩通道同一時(shí)刻所得測(cè)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(shí)刻兩測(cè)風(fēng)塔風(fēng)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(duì)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(fēng)速比值，(a)處理前，(b)處理后。

　　在通過(guò)同塔插補(bǔ)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(bǔ)后通道A與通道B風(fēng)速比值。

　　同時(shí)，對(duì)比前后處理塔影效應(yīng)時(shí)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(fēng)速相關(guān)性，(a)處理前，(b)處理后。

　　最后，由對(duì)比分析可知，經(jīng)過(guò)處理后的AB兩通道風(fēng)速值增加，兩通道同一時(shí)刻風(fēng)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(fēng)速值特征。推薦在數(shù)據(jù)處理中重視對(duì)于塔影效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)的訂正。

　　結(jié)束語(yǔ)：對(duì)于風(fēng)資源的評(píng)估工作而言，前期的數(shù)據(jù)觀測(cè)、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(shí)性，做有效合格的資源評(píng)估工作。