风电场微观选址的影响因素分析

3.4.1.1 盛行风向

盛行风向是指年吹刮时间最长的风向。可用风向玫瑰图作为标示风向稳定的方法，当主导风向占30%以上可认为是比较稳定的。这一参数决定了风力发电机组在风电场中的最佳排列方式，可根据当地的单一盛行风向或多风向，决定风力发电机组是矩阵排布，还是圆形或方形排布。

在平坦地区，风力机的安装布置一般选择与盛行风向垂直，但地形比较复杂的地区，如山区，由于局地环流的影响使流经山区的气流方向改变，即使相邻的两地，风向也往往会有很大的差别，所以风力机的布置要视情况而定，可安装在风速较大而又相对稳定的地方。

3.4.1.2 地形地貌

地形可以分为平坦地形和复杂地形。平坦地形选址比较简单，通常只考虑地表粗糙度和上游障碍物两个因素。复杂地形分为两类：一类为隆升地形，如山丘、山脊和山崖等；一类为低凹地形，如山谷、盆地、隘口和河谷等。

（1）当气流通过丘陵或山地时，会受到地形影响，在山的向风面下部，风速减弱，且有上升气流；在山的顶部和两侧，流线加密，风速加强；在山的背风面，流线发散，风速急剧减弱，且有下沉气流。由于重力和惯性力作用，山脊的背风面气流往往形成波状流动。

（2）山地影响，山对风速影响的水平距离，在向风面为山高的5～10倍，背风面为山高的15倍。山脊越高，坡度越缓，在背风面影响的距离就越远。背风面地形对风速影响的水平距离L大致是与山高h和山的平均坡度α半角余切的乘积成正比，即

（3）谷地风速的变化，封闭的谷地风速比平地小。长而平直的谷底，当风沿谷地吹时，其风速比平地强，即产生狭管效应，风速增大。当风垂直谷地吹时，风速亦较平地为小，类似封闭山谷。根据实际观测，封闭谷地y1和峡谷山口y2与平地风速x关系式为

（4）海拔对风速的影响，风速随着离地高度的抬升而增大。山顶风速随海拔的变化为

式中——山顶与山麓风速比；

H——海拔，m。

3.4.1.3 地表粗糙度对风速的影响

复杂地形主要考虑地表粗糙度和地形特征的影响，主要因素体现在三个方面：地表粗糙度、地表粗糙度指数及上游障碍物。

1.地表粗糙度

地表粗糙度是指平均风速减小到零时距地面的高度，是表示地表粗糙程度的重要指标。地表粗糙度越大表明平均风速减小到零的高度越大。

地表粗糙度对风速的影响，描写大气低压层风轮廓线是常用指数公式，即

式中 vn——在高度zn的风速；(www.xing528.com)

v1——在高度z1的已知风速；

a——指数。

根据气象观察，武汉阳逻跨江铁塔风速梯度观测，大风时a为0.16，平均风速时a为0.19；广州电视塔a为0.21；北京八达岭气象铁塔的a为0.19；锡林浩特铁塔观测的a为0.23。

我国常用的a值为三类，分别为0.12、0.16和0.20，按式（3-49）计算，见表3-4。

表3-4　不同高度的相对风速

2.地表粗糙度指数

地表粗糙度指数又称地表摩擦系数、风切变指数，也是表示地表粗糙程度的重要指标，其取值情况见GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》。地表粗糙度还会影响风力机运行的尾流、湍流特性，进而又会对风力机运行安全、技术性能以及下风向风力机可能利用的风速大小带来影响。

3.上游障碍物

气流流过障碍物，如房屋、树木等，在下游会形成扰动区。在扰动区，风速不但会降低而且还会有很强的湍流，对风力机运行十分不利。因此，在选择风力机安装位置时，必须要避开障碍物下流的扰动区。气流受阻发生变形，这里把其分成以下四个区域：

Ⅰ区为稳定区，即气流不受障碍物干扰的气流，其风速垂直变化呈指数关系。

Ⅱ区为正压区，障碍物迎风面上由于气流的撞击作用而使静压高于大气压力，其风向与来风相反。

Ⅲ区为空气动力阴影区，气流遇上障碍物，在其后部形成扰流现象，即在该阴影区内空气循环流动而与周围大气进行少量交换。

Ⅳ区为尾流区，是以稳定气流速度的95%的等速曲线为边界区域，尾流区的长度约为17 H（H为障碍物高度）。所以，选风电场时，应尽量避开障碍物至少17 H以上。

3.4.1.4 湍流作用

湍流是风速、风向的急剧变化造成的，是风通过粗糙地表或障碍物时常产生的小范围急剧脉动，即平常所说的一股一股刮的风。湍流损失通常会造成风力机输出功率减小，并引起风力机振动，造成噪音，风力机的疲劳载荷也随着扰动的增加而增加，影响风力机使用寿命，因此要尽量减少湍流的影响。

湍流强度描述风速随时间和空间变化的程度，能够反映脉动风速的相对强度，是描述湍流运动特性的最重要特征量。湍流强度受大气稳定和地表粗糙度的影响，在建设风电场时应避开上风方向地形起伏和障碍物较大的地区；安装风力机时，应选在相对开阔无遮挡的地方，即以简单平坦的地形为好。在地形复杂的丘陵或山地，为避免湍流的影响，风力机可安装在等风能密度线上或沿山脊的顶峰排列。

在风电场布置风力机时，由于湍流尾流等因素的影响，风力机安装台数并不是越多越好，即风力机安装的间距并非越小越好。通常情况下，受风电场尾流影响后的湍流强度的取值范围在0.05～0.2之间。在复杂地形上建设风电场时，为保障风力机的安全运行，一般只要湍流强度在0.2就可满足风力机布置要求。因此，根据湍流强度的最大限值，就可初步拟定风电场微观布置的风力机最小安装间距，减少优化算法搜索的时间。

3.4.1.5 尾流效应

在风电场中，沿风速方向布置的上游风力机转动产生的尾流，使下游风力机所利用的风速发生变化。当风经过风力机时，由于风轮吸收了部分风能，且转动的风轮会造成湍流动能的增大，因此，风力机后的风速会出现一定程度的突变减少，这就是风力机的尾流效应。尾流造成的能量损失典型值为10%，一般其范围在2%～30%之间。尾流影响的因素主要有地形、机组间距离、风力机的推力特性以及风力机的相对高度等。