地形高度与粗糙度对风速和湍流强度的影响及山谷风的季节变化

8.3.1.1　地形影响

1.平坦地形

当风电场预建在平坦地形时，主要考虑粗糙度和障碍物对风力机布局的影响。

（1）地表粗糙度。地表粗糙度是反映地表起伏变化与侵蚀程度的指标，风电场地表覆盖物特征会对风电场风能的输出产生重要的影响。当地表粗糙度在某一位置变化较快时，该处的风速廓线将变得非常复杂。在这类的边缘位置上（由粗糙变为平滑或由平滑变为粗糙时），在下风方向要经过一段距离，才能使风况重新适应新的粗糙度，一般将这一距离称为“过渡区”。地表粗糙度的增加会导致近地面风速的减小，且增强近地面的湍流强度。随着高度的增加，地表粗糙度对风速及湍流强度的影响将逐渐减弱，当到达一定高度后，其影响可忽略不计。

（2）障碍物的影响。风流经障碍物时，会在其后面产生不规则的涡流，致使流速降低，这种涡流随着来流远离障碍物而逐渐消失。障碍物对风速的影响主要取决于障碍物距考察点的距离、障碍物的高度、考察点的高度、障碍物的长度以及障碍物的穿透性。根据经验，当距离大于障碍物高度20倍以上时，涡流可完全消失，所以布置风力机时，应远离障碍物高度20倍以上。

2.复杂地形

复杂地形大致可以分为隆升地形和低凹地形等两类。复杂地形下的风力特性分析很困难，但如果了解了典型地形下的风力分布规律就可能进一步分析复杂地形下的风电场分布方法。

（1）山区地形中的风电场。山谷地形由于山谷风的影响，风将会出现明显的日或季节变化。因此选址时需考虑到用户的要求。一般地说，在谷地选址时，首先要考虑的是山谷风走向是否与当地盛行风相一致。

对于山丘、山脊等隆起地形，主要利用它的高度抬升和它对气流的压缩作用来选择风力发电机组的有利地形。如孤立的山丘或山峰由于山体较小，因此气流流过山丘时主要形式是绕流运动，同时山丘本身又相当于一个巨大的塔架，是比较理想的风力发电机组安装场址。国内外研究和观测结果表明，在山丘和盛行风向相切的两侧上半部是最佳场址位置。这里的气流得到最大的加速。其次是山丘的顶部，应避免在整个背风面及山麓选作场址，因为这些区域不但风速明显降低，而且湍流很强。(www.xing528.com)

（2）海陆地形对风场的影响。除山区地形外，风力发电机组选址中遇到最多的就是海陆地形。由于海面摩擦阻力比陆地要小，在气压梯度力相同的条件下，低层大气中海面上的风速比陆地上要大。因此，各国选择大型风力发电机组位置有两种：一是选在山顶上，但这些站址多数远离电力消耗的集中地；二是选在近海，这里的风能潜力比陆地大20%以上，所以很多国家都在近海建立风电场。

8.3.1.2　尾流效应影响

经过风轮的气流相对于风轮前的气流来说，速度减小，湍流度增强，该部分气体所在区域即称为风力发电机尾流区。风力发电机尾流区可以划分为近尾流区和远尾流区两个截然不同的区域。近尾流区指的是靠近风轮在风轮后方大致一个风轮直径长的区域，近尾流区的研究着眼于功率提取的物理过程和风力发电机组性能。风轮的作用可以由叶片的数量，叶片空气动力学特征如失速流动、三维效应和叶尖涡来体现；远尾流区是近尾流区以后的部分，着重研究风电场中风力发电机组群的作用。有时在近尾流区和远尾流区之间定义一个过渡区。

风力发电机组之间的影响主要表现为上游风力发电机组的尾流效应对位于其下游的风力发电机组的影响。风力发电机组在风电场中运行，空气来流经过旋转的风轮后会发生方向和速度的变化，这种对初始空气来流影响就称之为风力发电机组的尾流效应。一个大型的风电场中风力发电机组的数量可达数百台，风力发电机组产生的尾流效应对风场内的空气流场产生一定程度的影响，进而影响到位于其后的风力发电机组。

风力发电机组功率与风速的三次方成正比，当风速有一个微小变化时，功率就有一个很大的变化，由于风力发电机组尾流效应的发展是在整个风场范围内，风场中相邻两台风力机组的尾流相遇时会产生效果的叠加，处在尾流叠加区域内的风力发电机组的输出得不到保证，风力发电机组尾流效应的存在将大大减少下游风力发电机组的输出，所以风场布置时要尽量减少风力发电机组尾流效应对其下游风力发电机组的影响。

另外，尾流效应对下游风力发电机组使用寿命也有一定的影响，由于风力发电机组尾流效应增加空气的湍流程度，处于风力发电机组尾流区域中的风力发电机组风轮在尾流涡流中运行，空气来流除自身的切变外又加上湍流的影响使风力发电机组叶片受到的升力、阻力的不均匀性在叶片长度上增大，增大风轮叶片的内应力，影响风轮的使用寿命。

在风力机后面的尾流会自然而然地被考虑为一个比风力机本身直径大得多的风速减小的区域。风速的减小直接与风力机的升力系数相关，因而决定了从气流中吸收的能量。由于这种风速减小的区域与下游对流，在尾流和自由气流之间风速梯度会引起附加的切变湍流。这样会有助于周边的气流和尾流之间的动量转换。因此，尾流和尾流周围的气流开始混合，并且混合区域向尾流的中心扩散。同时，向外扩散使尾流的宽度增大。通过这种方式，逐渐消除了尾流中速度的差异，并且使尾流变得更宽但是却更浅，直到这个气流在下游远处完全恢复为止。这种现象发生的比例取决于大气湍流的等级高低。