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WT软件实现大气稳定度对风资源特性的影响分析

国际新能源网  来源:计鹏新能源  日期:2017-07-04
   本文介绍风资源评估中大气稳定度的概念,同时借助WT5.2软件在近海地区的以不同大气稳定度进行建模,分析其对风切变指数的影响,并且同实测数据进行对比论证,得出一定的结论。

 
  结果显示大气稳定度处于稳定时风切变指数较大,处于不稳定时较小。
 
  1、大气稳定度概念
 
  大气稳定度指近地层大气作垂直运动的剧烈程度。当气温垂直递减率γ=-1℃/100m时,大气稳定度处于中性状态;γ>-1℃/100m,大气稳定度处于不稳定状态;γ<-1℃/100m,大气稳定度处于稳定状态。通俗的讲,即当大气不同高度的温差较小,大气的对流运动较弱时,大气处于稳定状态;反之,温差较大,对流运动较为剧烈时,大气处于不稳定状态。
 
  2、大气稳定度的描述
 
  本文依靠WT5.2进行建模分析,在Meteodyn WT5.2软件中,CFD 定向模拟中的大气稳定度效应是通过考虑0~9共10个热稳定度等级来实现的,其中2级对应中性,1级对应不稳定,6级对应稳定。这些等级是通过对应Monin-Obukhov长度L的不同取值来定义的。Monin-Obukhov 长度给出近地面层中机械湍流与因热效应而生成或抑制的湍流的相对比重。计算公式如下:
 
 
  下表给出了 Monin-Obukhov 长度和 Meteodyn WT 中热稳定度等级的对应关系:
 
 
  由于在海上,地表粗糙度接近于0,因此大气稳定度是影响海上风速风切变指数的主要原因。同理在近海平原、丘陵地区,由于受到海洋的热力影响较大,大气稳定度同样是影响其风切变指数的主要原因。因此选择近海某风电场作为实际案例加以分析。
 
  3、实际工程案例分析
 
  模拟方法
 
  以距离海边约40km处某风电场中的一座测风塔(1#)的实测数据作为计算依据,现获取到该风电场实测地形图及1#测风塔完整一年多个高度实测数据,将其采用不同的大气稳定度以WT进行建模计算,利用1#测风塔的80m风速推算测风塔风切变指数及其他高度的风速。
 
  模拟过程
 
  1#测风塔其所在地形见下图。
 
 
  从Google Earth中可以看出场区内地形较为平坦,没有较大的起伏,地类主要为农田和房屋。
 
  该塔的主要参数见下表。
 
 
  风廓线见下图。
 
 
  以该风电场实测地形图及1#测风塔完整一年80m实测数据作为依据,采用不同的大气稳定度以WT进行建模计算。利用80m风速推算其所在位置的风切变指数结果、推算的60m风速见下表:
 
 
  依据软件计算结果,可以看出,大气稳定度对于风切变指数有很大的影响,当大气稳定度由不稳定,中性,到稳定状态时,风切变指数在逐渐增加,推算至更高的高度时风速会逐渐变大。但是当大气稳定度处于非常稳定的状态时,其风切变指数反而会变小,原因如下:
 
  将Monin-Obukhov 长度按照大气稳定度分类标准画在水平轴上,如下图所示。
 
 
  当Monin-Obukhov 长度在0附近时,为负值时为非常不稳定(等级为0),且越不稳定越接近于0;为正值时为非常稳定(等级为9),且越稳定越接近于0。因此,由分类标准得到,当大气非常稳定时,其推算出风速会接近于不稳定时的风速,导致风切变指数变小。
 
  4、小结
 
  本文采用WT5.2软件,以近海某风电场的实测地形图及完整年的风速数据作为计算依据,在不同大气稳定度下模拟其风廓线,计算风切变指数。通过与实测数据进行对比论证,发现当大气稳定度由不稳定、中性到稳定状态时,风切变指数在逐渐增大,当大气稳定度在非常稳定状态时,风切变指数反而减小,与不稳定状态相近。因此,在实际的工程当中,应对风电场所在地的大气稳定度加以考虑,不能简单的将其全部归类于中性。
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