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基于Wasp的工业园区分散式风电场风资源评估应用

2019-07-22 14:36:47 来源:上海勘测设计研究院有限公司 陈钇西 邵聪颖 评论:0 点击:
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摘要:分散式风电是未来风力发电行业的新增长点。以企业建设用地为场址的分散式风电场也将迎来空前的发展。风电场与人类活动范围越来越近,相关的风资源评估研究却很少。结合实例,本文以粗糙度模型与障碍物模型研究某工业园区地貌的风资源影响,估算风场发电量,为今后类似工程提供借鉴。

作者丨陈钇西、邵聪颖

单位丨上海勘测设计研究院有限公司

0 研究背景

风电是一项发展正热的可再生清洁能源项目。集中的大规模风电开发至今,受用地限制,可开发区域日渐饱和。利用分散土地、风资源的分散式风电渐渐出现,解决了集中用地的问题。2018年,国家能源局发布《分散式风电项目开发建设暂行管理办法》提出:“鼓励各类企业及个人作为项目单位,在符合土地利用总体规划的前提下,投资、建设和经营分散式风电项目。”企业利用自身建设用地的空闲土地建设风电工程,节约了宝贵的土地资源,还可将风电工程所产生的电力用于企业生产、办公、生活等消耗,推动了产业发展与绿色低碳的新能源相结合。

复杂地形的风资源评估已有很多先例,未来利用企业园区的分散式风电将迎来发展,但缺少相应风资源评估的研究。在对以工业园区为背景的风电场进行风资源评估时,风机分布较为分散,且与园区内建筑物及设备水平距离通常在几百米左右,如何对这些影响因素进行风资源评估,如何提高园区风能资源评估的准确性?这是急需进行探讨和研究的问题。

本文利用计算软件建立了工业园区风资源评估模型,计算了粗糙度和障碍物模型共同作用下的风场和风资源,可为今后相关的工程提供参考。

1 计算模型

对风流的影响因素主要有三个:(1)地形的加速效应;(3)粗糙度的变化效应;(3)障碍物的遮蔽效应。目前,成熟的风资源预测软件有WAsP、WT等。WAsP是用来预测风气候、风资源和风力发电机与风场发电量的计算机软件,是丹麦理工大学风能部开发的最早的风资源评估软件。WASP是一种操作简单、方便、快捷的计算机模型[1],适用于简单地形的风资源评估。WAsP在地貌的描述上包括地形高程、粗糙度、障碍物。本文采用WAsP风资源评估软件分析粗糙度模型及障碍物模型在工业园区风电场的应用。

1.1地形

WAsP采用一种线型计算模型,由Jackson和Hunt于1975年提出,后由Troen(1990)改进的BZ模型。具有以下几个特征[2]:

(1)应用高分辨率的缩放极坐标,与地图分析程序结合,计算模型中心点的风流波动。

(2)把地表粗糙度情况整合到能谱或尺度分解中。“内部层”的结构通过地表应力、平流和压力梯度间的平衡条件计算。

(3)采用大气边界层的厚度为1km,迫使大尺度(如数公里)风流在高空区域附近流动。

WAsP在每个关注点(气象站和风机)分别进行一次极坐标网格化,因此,对于关注点附近的地形精度应尽可能高(见图1)。

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图1 极坐标地形网格

1.2粗糙度

地表及障碍物引起的地表风速减慢,称为粗糙度。粗糙度可以用粗糙度长度(z0)描述。粗糙度长度表示在平均风速变为0的高度。根据Lettau[3]提出的经验公式,粗糙度长度(z0)与距地高度h以及与迎风面积S有关,若多个粗糙度单元均匀地分布在一个区域内,可用水平面积AH进行平均化。

Troen和Petersen在欧洲风图集里把地形表面特征分为四个等级,每个等级赋予不同的粗糙度长度[4]。其中,水面等级为0,粗糙度长度为0.0002。利用WAsP建模时,水面粗糙度长度必须设置为0(见表1)。

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1.3障碍物

一些建筑物、树林离风机或者测风塔很近,不能视为粗糙度单元,应当看作障碍物。障碍物对水平距离小于50倍的障碍物高度,垂直距离小于3倍障碍物高度的区域风流特性有很大的影响,建议不要将此区域视为粗糙度单位。障碍物孔隙率根据障碍物表面按照表2设置。

表2障碍物孔隙率取值

2 实例

某分散式风电场位于沿海某省某企业工业园区内,所处区域地形平坦,海拔在5-40m之间。经纬方向X和Y范围分别在37 440 000-37 460 000和2 320 000-2 335 000之间。计划布置13台2MW风机,装机容量共计26MW,风机轮毂高度100m。

研究区域附近未立测风塔,缺少详细测风资料。分散式风电立测风塔的成本太高,吴莎等人[5]提出中尺度数据嵌套降尺度计算的方法,即将中尺度数据应用于虚拟测风塔的点模式,结合详细的地形图数据,获得更高分辨率的风资源图谱。因此,本文采用该地区merra2中尺度数据作为虚拟测风塔数据,虚拟测风塔位置与数据产生点一致,位于风电场西南侧,坐标为(37442650,2326338)。根据中尺度风模拟数据,该区域主风向为NE~NNE,100m高度处年平均风速5.69m/s,空气密度为1.185kg/m3。

2.1地图的处理

研究区域DEM数据从地理空间数据云下载,地理空间数据云提供分辨率30m精度和90m精度的两种DEM数据。本次采用30m精度的DEM数据。利用globalmapper软件生产等高线,利用Wasp自带的软件WAsP map editor编辑粗糙度和生成地图文件。风机布置及地形图如图2所示。

图 2 案例区域地形图及风机布置

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2.2地形描述

研究区域内厂房建筑物及设施设备较多,可用于建设风机基础的土地零散、机位有限。为详细表达风场地貌,本文分别采用粗糙度和障碍物模型共同描述风场地貌对风流的影响。厂区粗糙度长度取0.5m,对于区域内高于30m的建筑物在WAsP软件中定义为障碍物(见图3、图4)。

图3 粗糙度模型

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图4 障碍物模型

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