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风能风切变指数计算方法的比选研究

第30卷 第16期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.16

188 2014年 8月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2014

风能风切变指数计算方法的比选研究

徐宝清1,吴婷婷1,李文慧2

(1. 内蒙古工业大学信息工程学院,呼和浩特 010080; 2. 北京天润新能投资有限公司华北分公司,呼和浩特 010010)

摘 要:为了支持风电场的开发和建设,结合最小二乘法对风切变指数这一重要参数进行了分析研究。根据风切变指数关系式和最小二乘法拟合直线算法,给出5种不同的方法分别计算风切变指数;然后根据计算得出的风切变指数与幂律公式推算已知高度的风速,再利用各自的推算结果与实测风速进行对比,分析其误差,选择较为准确的风切变指数。选用内蒙古乌兰察布市某测风塔共3个测风高度一年内完整的实测数据为例,采用上述方法计算该地区风切变指数,结果表明去除小风速后的数据利用最小二乘法拟合的计算方法和利用风廓线拟合的方法都较为准确;因此,应结合风电场的实际情况综合采用这些方法,选取误差最小的风切变指数。该研究有利于更准确地推算风机轮毂高度的风况,进而能够更加准确地估算发电量和评估风能资源。 关键词:风能;应用;计算;风切变指数;指数公式;最小二乘法;风速 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.16.025

中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2014)-16-0188-07 徐宝清,吴婷婷,李文慧. 风能风切变指数计算方法的比选研究[J].农业工程学报,2014,30(16):188-194. Xu Baoqing, Wu Tingting, Li Wenhui. Screening of calculation methods for wind shear exponent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 188-194. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

目前,世界各国都将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源发展的优先地位。在新能源中,风能利用技术与风电开发发展迅速[1],风力发电的前提是风电场的开发建设。在风电场可行性研究中需要确定风电场的装机容量和风力发电机组选型及布置,而确定风电场风力发电机组选型及其安装高度的一个重要依据就是风切变指数[2-4]。

近年来,风能资源的利用力度逐渐加大,近地层风切变的研究工作越来越受重视[5-10]。风切变指数是非常重要的参数,在估算风力发电机组发电量时,需要推算出轮毂高度的风况[11-15],按照《风电场风能资源评估方法(GB/T 18710–2002)》[16],可以根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速推算出来近地层任意高度的风速。因此,风切变指数的准确与否直接影响了推算风机轮毂高度的风况,进而影响到风力发电机组的选型和发电量的估算,最终影响到风电场经济效益的评估。本文以内蒙古乌兰察布市某风场的实测数据为例来计算和分析风切变指数,对风切变指数进行了研究。

收稿日期:2014-04-15 修订日期:2014-08-25

基金项目:内蒙古工业大学重点科研基金项目(ZD201227) 作者简介:徐宝清(1970-),女,内蒙古呼和浩特人,副教授,博士,主要从事计算机应用和风力发电技术。呼和浩特 内蒙古工业大学信息工程学院,010080。Email:bqxu@http://doc.xuehai.net

1 风切变指数

在近地层中,风速随高度的变化而有显著的变化,造成这种变化的原因是地面的粗糙度和近地层的大气垂直稳定度。风切变指数表示风速在垂直于风向平面内的变化,其大小反映风速随高度增加的快慢。其值大表示风能随高度增加得快,风速梯度大;其值小表示风能随高度增加得慢,风速梯度小。其计算公式为:

幂律公式:

z

v2=v1 2 (1)

z1

写成指数公式为:

lg(v2/v1)α= (2)

lg(z2/z1)式中:α为风切变指数;z1为已知高度,m;z2为变

m/s;化后风速所在高度,m;v1为高度z1处的风速,

v2为高度z2处的风速,m/s。

风切变指数表征风速随高度的变化程度,由于地形与大气层稳定度等因素的影响,风速随高度变化的程度不同,因此风切变指数的大小也各异[17-18]。文献[19]在超过1 000座测风塔中选择不同地区、不同地形下较为典型的测风塔,分析了近地层10~70 m范围内,风切变指数和地表粗糙度、地形、温度、风速大小等因素之间的关系。其研究表明,表面粗糙度较大的地方,风切变值较大;一昼夜内,风切变变化和温度变化趋势正

α

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