3.2.1.1 测风塔监测系统
近年来，风力发电行业迅速发展，风力发电开发商在风资源丰富地区积极投资建立测风塔，采集不同高层的风速、风向、气温、湿度、气压等气象数据，为风电场的建设开发获取实测气象资料。在风电场前期开发中，测风塔主要用于风能资源评估和风机微观选址，风电场投运后，测风塔主要用于气象信息实时监测和风力发电功率预测。
风电场内安装的测风塔一般为桁架式结构和圆筒式结构如图3-1所示，采用钢绞线斜拉加固方式，高度一般为10～150m。测风塔塔架上搭载的自动气象监测设备主要包括气象传感器、数据采集模块、通信模块、电源等，能够测量风电场区域内不同高度的风速、风向、气温、湿度、气压等气象数据。根据不同用途，测风塔的气象数据传输方式一般分为定期传输和实时传输。
3.2.1.2 不同地表特征对风况的影响
风电场的微观选址取决于测风数据的准确性和代表性，要获得准确性高、代表性好的测风数据，就必须选择合适的测风塔安装位置。近地面层中，风的分布在空间上分散，在时间上不连续，使得在风能资源的评估中需考虑气流在不同地表特征下的运动机理。
（1）地形对风况的影响。风电场所处区域的地形大致可分为平坦地形和复杂地形。平坦地形是指在风电场区及周围5km半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形最大坡度角小于3°的地形。复杂地形指平坦地形以外的各种地形，可分为隆升地形（山脊、山丘）和低凹地形（山凹）。
图3-1 测风塔
平坦地形情况下，在场址范围内同一高度层上风速分布较为均匀，风廓线与地面粗糙度最为相关。地面粗糙度一致的平坦地形，近地层风速随高度的增加而增大；地面粗糙度发生变化时风廓线的形状分为上下两部分，分别对应上、下游地表的风廓线形状，在其中间衔接带上风速会发生剧烈变化。
遇到隆升地形，盛行风向与山脊脊线垂直时，加速作用最大，在脊峰处气流速度达到最大；脊线平行于盛行风向时，加速作用最小。盛行风向吹向山脊的凹面时，会产生狭管效应使气流增速，反之凸面朝向盛行风向，气流绕行，加速作用减少。气流在山脊的两肩部或迎风坡半山腰以上，加速作用明显，山脊顶部的气流加速最大。气流在顶部平坦的山脊上往往存在着切变区，山脊的背风侧常会形成湍流区。遇到低凹的地形，盛行风向与山谷轴线一致时，气流具有加速效应；在山谷轴线与盛行风向垂直时气流受到地形的阻碍，风速减弱，可能会出现强的风切变或湍流。
（2）地面粗糙度及障碍物对风况的影响。大气边界层是大气的最底层，靠近地球表面，受地面摩擦阻力影响，并随气象条件、地形、地面粗糙度的变化而变化。大气边界层分为两个区域，地表面至100m的区域称为下部摩擦层，其上方称为上部摩擦层，大气边界层如图3-2所示。下部摩擦层受地球表面摩擦阻力影响很大，可以忽略地球自转产生的科里奥利力。
图3-2 大气边界层
在近地面层中，风速受到地面粗糙度的影响，并随高度的增加而增大，常用指数公式表示高度和风速的关系：
式中 v——距离地表高度h处的风速，m／s；
v1——高度为h1处的风速；
α——地表摩擦系数，通常取0.12、0.16、0.2。
气流经过粗糙的地表及障碍物时，会受到干扰，形成湍流区域，造成风速和风向迅速变化。湍流区域在障碍物前可扩展到2倍障碍物高度区域，在障碍物后侧，可影响到障碍物10～20倍高度区域。如果是宽大的障碍物（宽度超过高度的4倍）位于顺风方向，气流不是沿着水平方向流动，而是大部分从障碍物的上部流过，导致下风向的湍流区域变长。如果是狭窄的障碍物，风沿着水平方向扩展，下风向的湍流区域变短。在垂直方向上，2～3倍障碍物高度处湍流的影响仍非常显著（见本书第2章的图2-3）。(www.xing528.com)
3.2.1.3 测风塔选址分析
测风塔宜位于风电场主风向的上风方向位置，其附近应无高大建筑物、树木、输电杆塔等障碍物，与障碍物的距离宜保持在障碍物最大高度的10倍以上。测风塔位置还应避开土质松软、地下水位较高的地段，以防止在施工中发生塌方、出水等安全事故。
测风塔数量视风电场规模和地形复杂程度而定。通常每套风电场功率预测系统应至少配置1个测风塔，对装机规模较大或地形复杂的风电场，应适当增加测风塔的数量。对于风电场群和大型风电基地，应统一规划测风塔位置和数量。
（1）用于资源评估的测风塔微观选址。风电场前期开发过程中，测风塔主要用于风电场的风能资源评估和风机微观选址。建设风电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的风能资源，在风电场选址过程中，需要根据有关标准在场址中立塔测风。
测风塔必须准确反映将来风电场的风资源情况，其周围环境要与风机位置的环境基本一致，两者之间要遵循一定的相似准则。相似准则主要考虑大气环境和地理特性：①大气环境相似，则整体的区域风况、风的驱动力、大气稳定情况等相似；②地形相似，则地形复杂度、海拔、周边环境、地面粗糙度等相似。
以上两个方面的相似准则是风电场前期测风塔选址的基本依据。通常，风电场规划面积都在几十平方公里范围内，属于中小尺度大气结构范畴，大气稳定情况基本一致，主要考虑测风塔位置与风机位置的地形特征、地表植被的相似性，即测风塔与风机位置的气候条件、地形、高程和地面粗糙度等方面应尽可能相似，避免受到气流畸变的影响。
在区域地形图上，根据风电场场区边界的拐点坐标，确定风电场在地形图上的具体位置，并扩展到外沿5km的半径范围。根据等高线的疏密、弯曲程度及高程，对风电场的地形地貌进行分析，确定风电场区域内的高差和坡度，找出影响风力变化的地形特征。通过计算流体力学模型（Computational Fluid Dynamics Model，CFD），对流体进行定向模拟，进而了解风流的相关属性。影响风况的风流参数主要有风加速因数、湍流强度、水平偏差和入流角，风流参数分布图如图3-3所示，这些风流参数都受地形影响，其中风加速因数和湍流强度还受到地面粗糙度影响。测风塔选址时，需要考虑风电场盛行风向上的风流参数分布情况，测风塔位置的湍流强度、水平偏差、入流角要尽可能小，而风加速因数要能代表风电场区域的平均水平。
图3-3 风流参数分布图
（2）用于功率预测的测风塔微观选址。与风电场前期风资源评估的测风塔选址不同，用于功率预测的测风塔，应考虑测风位置是否受到风机尾流的干扰。对于已经建设完成的风电场，应用历史测风数据进行统计分析，可以得出风电场微气象区域每个风向扇区的风频、风速分布，测风数据统计如图3-4所示。
基于实测数据得出每个风向扇区的风速、风频，在一定的大气稳定度假设下，通过高分辨率CFD模型计算风电场区域风资源状况。区域的平均风速计算结果采用较为直观的填色图形式进行展示，多塔综合的70m高度全场平均风速分布图如图3-5所示。整个风电场区域的风能等值分布特征、风能极值特征以及风能资源梯度变化趋势特征都能够清晰地得到。综合考虑距离、海拔等因素，选择图中资源代表性强、海拔梯度变化微弱的区域作为测风塔的初选位置。
图3-4 测风数据统计
图3-5 多塔综合的70m高度全场平均风速分布图
由于风机的尾流效应影响测风塔的测风效果，因此，测风塔位置需要做进一步评估，选择受尾流效应影响最小的位置，考虑尾流效应的测风塔平均风速计算见表3-3，2号测风塔比1号测风塔受风机尾流效应影响大，因此1号测风塔的位置更为合适。
表3-3 考虑尾流效应的测风塔平均风速计算
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