文 | 王蕊，朱瑞兆

复杂地形的风能形成原因和特征众多，在复杂地形开发建设风电场，不容易准确掌握风能资源的情况。如果没有切实了解清楚风能资源的情况，会导致机型选择出现偏差，使用等级高的机型提高造价，使用等级低的机型安全性没有保证，同时区域内的资源情况不摸清摸透，无法合理的布置风电机组，从而导致风电场的收益情况不甚理想。因此复杂地形的风能资源分析是关乎风电场建设的最重要环节。而测风塔代表性的判定则是准确分析风能资源的前提条件。

复杂地形的定义

一、平坦地形与复杂地形的划分

平坦地形的特征，需满足两个条件：（1）所选风电场场址周围的3km－5km范围内，地势高差均小于60m；（2）在3km－5km范围内最大坡度不超过3%。上述两个条件比较典型，一般认为满足如下两个条件可作为平坦地形：（1）风电场范围2km内没有大的山丘、山脉或者悬崖之类的地形；（2）沿主导风向和次主导风向上没有地形、地物障碍。

平坦地形风电场选址，风电机组布置比较简单，只需考虑地面粗糙度和上下游的障碍物。但测风塔安装时应该设在最能代表风电场风能资源的位置上。避免周围有障碍物，特别是在主导风向的下风向与障碍物的水平距离应在障碍物高度的10倍以上的位置安装，如在防护林、防台林中安装测风塔，应比树林高10m以上。

二、复杂地形的定义

所谓复杂地形，从地貌剖面的高度及起伏幅值来确定。一个场地不超出表1的规定，则称为复杂地形。

复杂地形的坡度，如图1所示，即视点和风电机组基础点之间直线的坡度，一个地形剖面波浪起伏偏离高度是指垂直方向的高度。

表1 复杂地形的定义标准

图1 复杂地形标准图

复杂地形的分类及特征

复杂地形可分为两类，一类是隆升地形，如山脊、山丘和山崖等；另一类为低凹地形，如山谷、盆地和山隘等。它们对风特性均有不同程度的影响，由于地形复杂，在同一天气系统下，各种不同地形条件下的风速不同，就是在同一地形下，其不同部分的风速也各异。

一、隆升地形

（一）隆升地形风速变化

隆升地形风速一般随高度增大，若有坡度就形成加速效应，在山脊近地面表现最明显，特别是在盛行风向与山脊脊线呈正交时，气流加速较大，倾斜时加速作用减弱，在山脊峰处达到最大。

隆升地形有不同的形状，对于加速相应的影响有明显的区别。

根据Taylor和Lee的原始算法，可以计算山顶不同高度处的加速比：

式中： ΔS－风加速比；A、B－经验常数（表2）；h－山顶高度；L1－山顶到h/2高度处的水平距离；Z－海拔高度

根据研究，山顶与平地的风速关系为：

式中： k为山顶与平地风速差值

α＝0.07

（二）隆升地形变化规律

隆升地形有如下变化规律：

1 山顶加速比最大，在背风坡风速减小。

2 当气流经过剖面为三角形过圆形的山脊时，三角形的山脊顶部产生的加速最大，圆弧形的山脊次之，钝性的山顶最小。

3 气流在山脊的两肩部或迎风坡半山腰以上，加速明显，在山脊顶部处气流加速最大，气流在山脊的山麓风速明显减少，低于山前来流的风速。

4 气流吹向孤立山丘时，在迎风坡上气流显著加速，在山顶达到最大，在山丘的背风面，风速降低。

二、低凹地形

（一）低凹地形风速变化

低凹地形是指周围均是较高的地势，所以在选址时首先要考虑的是对盛行风向的暴露情况，如低凹地形对盛行风有效的起到狭管效应作用，则会使气流加速。如盛行风被周围较高的地形所阻挡，则不宜作风电场。

1 山谷和峡谷。山谷和峡谷的气流状态取决于：（1）山谷与盛行风向是否平行；（2）山谷地面是否向下倾斜；（3）周围山脊的长宽高；（4）山谷宽狭的不规则性；（5）山谷表面粗糙度等。

2 山隘或鞍形山脊。山隘的开口应对着盛行风向，其两侧的较高山，越高越好，隘道的坡度应在17%最理想。

3 河谷。河谷是过高山障碍物的唯一通道，且比山谷和山隘深，所以狭管效应显著。

4 盆地。四周为高山的洼地，盆地中空气流动缓慢，影响大气环流风速的侵入，风电场不宜选择盆地。山间盆地的风速可按下式计算：Y＝0.702x＋1.40，式中Y为山间盆地风速，x为平地风速。

（二）隆升地形变化规律

低凹地形有如下变化规律：

1 若轴线与盛行风向一致，宽度沿盛行风向缩小的山谷，一方面迅速产生汇流辐合效应，另一方面汇合的气流又沿地形形成较强的爬升气流有利于气流加速。

2 若轴线与盛行风向一致，且沿山地向下延伸较长、有±5°的坡度角的山谷，对气流有显著的加速效应。

3 山谷口部分，不但有天气气候的风速，而且还叠加了山谷风的风速。

4 山谷中两侧山壁高度2/3处风速最大。

测风塔代表性的判定方法

表2 不同地形下的A、B参数

表3 山体迎、背风坡风速比

复杂地形风资源评估最重要的一点就是测风塔是否具有代表性。只有测风塔具备代表性才能真正客观、准确地评估当地的风能资源情况。

一、测风塔位置的选择

测风塔位置的选择是测风塔具备代表性的关键。需注意以下几点：

1 测风塔位置应处于周边开阔、无遮挡的地方。

2 测风塔位置的海拔应不是最高也不是最低，位于较高海拔处。

3 测风塔位置应位于山脊处。

二、测风塔代表区域范围的大小

每个复杂地形的项目，地形的复杂程度都不相同，因此复杂地形测风塔能够代表多大区域范围其实无法量化，只能按照测风塔代表区域范围界定的原则和标准进行判断。测风塔代表区域范围界定的原则和标准为：以能够体现整个风电场的资源情况为宜。

结合工程实例，总结出几种典型地形的情况，如下：

1 风电场中山脊明显且相对平坦、开阔，测风塔代表范围：2km －5km。

2 风电场中山脊明显、狭长，测风塔代表范围：狭长5km。

3 风电场山脊不明显、山顶浑圆，测风塔代表范围：5km2。

三、测风塔设立数量的选择

复杂地形风电场测风塔的数量如果设立过多，能够相对全面地反映当地的资源情况，但是投资增大；如果设立过少，则可能无法客观反映当地的风能资源情况。因此，合理确定测风塔设立的数量是众多投资方关心的问题。每个项目地形的复杂程度都不相同，无法量化界定测风塔代表区域的范围，也就无法通过范围来确定测风塔的数量，总的原则和标准为：以能够体现整个风电场的资源情况为宜。

结合工程实例，总结出几种典型地形的情况，如下：

1 风电场中有多条山脊，而且每条山脊周边环境都不相同，建议尽量在多条山脊中都设立测风塔。

2 风电场中有一条山脊，但山脊多处周边环境不同，建议尽量在环境发生变化的地方设立测风塔。

3 风电场中有一条山脊，周边环境相同，若山脊狭长，建议设立一到两座测风塔。

实例

一、项目基本情况

某山地风电场中有多条山脊，而且每条山脊周边环境均不相同，设立测风塔三座，分别代表周边区域的风能资源情况。三座测风塔均位于山脊处，测风塔信息如表4所示，测风塔位置及地形示意图见图2、图3。

二、测风塔实测数据统计

根据测风塔实测数据及计算出的空气密度，可统计出各测风塔风速及风功率密度，见表5、表6。

三、风能资源图谱模拟

根据适合复杂地形的发电量计算软件WT软件的模拟，可以得到只设立一座1#测风塔的模拟结果和设立三座测风塔的模拟结果，分别如图4、图5所示。

表4 测风塔信息

图2 测风塔位置示意图

图3 测风塔位置地形示意图

四、测风塔代表性分析

根据图5风能资源模拟的图谱可以看出，若本测风塔只设立1#测风塔，则风能资源模拟情况与设立三座测风塔模拟出的图谱差异较大，测风塔代表区域不足以覆盖整个风电场。差异详见图6、图7。

图6是只设立1#测风塔模拟出的风能资源图谱，图7为设立三座测风塔模拟出的风能资源图谱，对比两图，图中A、B、C、D、E区域模拟情况差异较大，足以证明若只设立1#测风塔，则测风塔数量偏少，代表区域范围有限，容易引起风能资源评估不准确、风电机组点位布置不合理，从一定程度上损失发电量，降低投资方收益。设立三座测风塔位置、数量及代表区域范围均较合理，能够相对准确评估本风电场风能资源情况，为风电机组布点和发电量计算提供较准确依据。

表5 测风塔实测数据风速统计（单位：m/s）

表6 测风塔实测数据风功率密度统计（单位：W/m2）

图4 风能资源模拟图（1#测风塔）

图5 风能资源模拟图（三座测风塔）

图6 风能资源模拟差异对比图（1#测风塔）

图7 风能资源模拟差异对比图（三座测风塔）

结论

复杂地形风能资源的评估的准确性影响到风电场选址、测风塔选址和测风数据的处理，如要准确评估区域内的风资源，需首先对风电场内测风塔的代表性进行判定，测风塔代表性的判定需要根据测风塔设立的位置、数量及代表区域范围进行综合判定，对具备代表性的测风塔数据进行分析，才能够相对准确地评估本风电场风能资源情况，为风电机组布点和发电量计算提供较准确依据，只有这样才能切实提高开发商预期达到的收益。