超高海拔地区负切变现象主要成因初步探究.docx

超高海拔地区负切变现象主要成因初步探究 刘志远 李杨扬 何一摘要：文章以某超高海拔风电场示范工程测风塔和测光塔实测数据为基础，提出利用辐射量与风速之间的相关关系进行超高海拔地区负切变现象主要成因的探究方法，发现该类地区负切变现象主要成因为大气稳定性，而不是地形因素大气稳定性对负切变的影响主要是通过太阳辐射量影响气流运动实现，风切变大小基本与与辐射量高低成反比关系，为超高海拔地区风电开发工程设计以及风电机组技术研发等都提供了重要借鉴关键词：超高海拔;负切变;主要成因;大气稳定性：P942：A ：1001-5922（2019）07-0056-07根据国际上通行的海拔划分标准：1500～3500m为高海拔;3500～5500m为超高海拔;5500m以上为极高海拔，我国超高海拔地区主要分布在西藏的绝大部分地区、四川的凉山及甘孜地区、云南的滇西及滇西北地区等，其中西藏绝大部分地区海拔高度均在4000m以上相比一般高海拔地区，超高海拔地区气象条件更加错综复杂，一般具有“超低温、大风速、低密度、负切变、强辐射、频雷暴”等显著特点，都会导致风电开发前期资源观测、评估技术难度加大，工作流程更加复杂。

复杂的气候气象条件也对风电机组的适用性也提出了更高要求，主要面临风电机组失速、电气设备绝缘、散热、降容以及其他特殊要求等目前，国内已运行的最高海拔风电场为国电龙源那曲高海拔试验风电场，平均海拔高度约4600m，装机规模0.75万kW;国内外5000m以上海拔高度的风电场开发尚处于空白为了进一步研究海拔高度超过5000m的超高海拔地区风能资源特性，为超高海拔风电机组技术研发和试验提供一定的参考依据，进而为该类地区大规模风电开发提供研究成果，本文依托《超高海拔风电开发技术研究及应用》科技项目示范工程，对超高海拔地区典型风况特征之一——负切变，进行主要成因初步探究1 工程概况该风电场示范工程位于西藏地区，场址平均海拔高度介于5000～5070m之间，属于典型的超高海拔风电场场址地势整体较为平坦，坡度不大，局部有凸起部分，地表覆盖物以高原荒地为主，无明显障碍物场址范围内已建立一座编号为1#的测风塔，最大测风高度100m;场址范围外已建立一座编号为2#的测光塔，测光高度10m，二者直线距离约5km目前两座测风（光）塔数据收集均已满一年，数据质量整体较好，有效数据完整率均达90%以上场址区域内盛行主导风向为SSW方向。

通过对1#测风塔各通道实测风速数据进行统计分析可知，该测风塔处风速随着高度的增加整体上呈不断减少的趋势，即产生负切变现象，并且近地面通道的风速相对较大，最高层通道的风速最小，10m高度实测平均风速约为9.80m/s，100m高度实测平均风速约为9.58m/s2 成因分析风切变是指风速在垂直于风向平面内的变化，受地面摩擦力的影响，一般呈对数分布，其计算公式如下α=（lgV2-lgV1）/（lgH2-lgH2）（1）式中α为风切变;V1为H1高度处风速，m/s;V2为H2高度处风速，m/s风切变也可以认为是风廓线的另一种表达方式，是对风廓线的工程应用风速垂直切变不仅影响测风塔实测以上高度风速的推导，同时影响风电机组塔架高度的选择，并且对风电机组载荷和发电效率都有一定影响通常情况下，负切变现象多发生在复杂山地地形的风电场，业内普遍认为主要受两方面因素影响，即地形地貌和大气稳定性，因此本文也分别从以上两方面进行超高海拔示范工程测风塔负切变现象主要成因分析2.1地形地貌在复杂的山区地形中，气流通过陡峭山体时被压缩并加速，风速分布不再严格遵守对数分布这种低层加速效应只发生在山脊以上有限的高度区间内，近地面某层高度风速因为地形原因被加速，而更高高度则因不在地形加速效应层内而未被加速，导致高低层风速差异变小，风切变指数变小。

当地形加速效应较大时，加速后的低层风速甚至比未经加速的更高层的风速大，即产生负切变现象另外，树林、灌木等植被也会引起低层切变很大、高层负切变现象等通过对本工程场址地形地貌分析，场址区域地势相对平坦，山脊坡度较缓，沿山脊线高差相差60m左右分别选取l#测风塔处沿主导风向断面1和垂直山脊走向断面2进行地形分析发现：（1）测风塔所在区域隆起地形地势非常平缓，顶部地形坡度小于5，迎风和背风坡度5～15，属于斜缓坡，地形导致的加速效应不明显2）测风塔在50m/10m、80m/70m两个高度区间内出现正切变，其余高度区间均为负切变，实际情况与低层加速效应不相符合3）现场调查确认场址区域内地表覆盖物均为荒草或裸露地面，无灌木或高树等，即地表粗糙度也不会对风廟;线造成较大影响综上所述，本文基本认为地形地貌会对气流产生一定的影响，但并不是本工程中测风塔负切变现象产生的主要成因2.2大气热稳定性大气热稳定性是指空气受到垂直方向扰动后，大气层结（温度和湿度的垂直分布）使该空气团具有返回或远离原来平衡位置的趋势和程度，直接影响近地层大气的垂直对流，温度越高垂直对流越强，大气越不稳定在复杂地形山区中，气流变化复杂，加之海拔较高，昼夜温差较大，大气稳定性较差，负切变现象比较常见。

一般来说，大气稳定性越差，风切变指数越小根据国际标准，按照稳定度从大到小，通常可以分为3类：稳定状态：垂直移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势;中性状态：将它推到某一高度后，既不加速也不减速而停下来;不稳定状态：垂直移动后，加速向上或向下运动大气热稳定性一般根据理查森数Ri判定，该参数描述湍流运动因抵抗重力所做的功與雷诺应力使平均运动动能转变为脉动动能之比值的大小，与温度梯度有关，其计算公式如下式中θv为虚位温，θv≈≈（1+0.6lq）;θ为位温，q为比湿位温的梯度可以通过从温度的梯度中消去干空气的绝热垂直递减率得到：式中Td=0.0098K/m由于l#测风塔只进行了一个高度层的温度监测，无法直接计算得到Ri值为了进一步研究大气热稳定性对负切变的影响，同时考虑到气流运动跟太阳辐射有直接关系，文章提出从太阳辐射的角度定性分析、间接验证2#测光塔距离1#测风塔不远，其实测辐射数据对测风塔处基本具有较好的代表性，通过对测风塔风速与测光塔辐射量分别进行日内、年内变化规律对比，分析其之间的相关关系2.2.1日内变化通过对测风塔和测光塔数据日内变化分析，不同季节辐射量主要集中在上午6～8时至下午19～20时之间，在此时间段内发现测风塔各高度层出现明显负切变;其它时段不同高度层风速变化幅度不一致，风切变有所不同。

其中，最为明显的10m高度层风速变化：在0～9时区间内，太阳尚未完全生起，场址区域辐射量较低，风速最小，符合风速随高度增加的正常分布规律;9～20时区间内，太阳完全升起，场址区域辐射量不断增加，风速大幅增加，远远高于其它高度层风速;20～23时区间内，太阳逐渐落下，场址区域辐射量减少，风速逐渐减小，直至低于其它高度层其它高度层风速在不同时段也具有类似变化规律因此，基本可以判断辐射量的确通过影响气流运动并对风切变产生较大影响2.2.2年内变化通过对测风塔和测光塔数据年内变化分析，风速与辐射量年内的整体变化趋势有一定的相似性，风速在1～4月份呈先增大再减少的趋势，5～12月份呈先减少后增加再减少的趋势大风月主要集中在10月～次年2月，小风月主要集中在3～9月;辐射量在1～5月份呈先增大再减少的趋势，6～12月份呈先减少后增加再减少的趋势为了进一步研究辐射量对风切变的影响，考虑到不同季节太阳辐射量也有所不同，分别对2#测光塔辐射量和1#测风塔风切变进行不同季节变化分析由图表可知，辐射量夏季最高为1655.5MJ/m2，依次为春季、秋季，冬季最低为1441.7MJ/m2;综合风切变夏季最小为-0.032，依次为春季、秋季，冬季最大为0.005，即风切变大小与辐射量高低成反比关系，且基本以50m高度为界点。

夏季辐射量最高，对风切变影响也越大，各高度层风切变明显低于其它季节，负切变现象更加明显2.2.3综合分析综合以上两方面分析，该地区由于昼夜温差较大，白天太阳辐射充分到达地面后，近地层气流因受热而变得极不稳定，乱流逐渐发展，上下层空气间的动量交换增强，大气稳定性极不稳定，结果使下层空气的运动加速，而上层空气的运动减速根据《风电场风能资源评估方法》（CB/T18710-2002）推荐的空气密度公式计算得到1#测风塔10m高度处空气密度约为0.694kg/m3，推算得到50～100m高度处空气密度基本介于0.691～0.688kg/m3由于海拔高度较高，空气稀薄，相比一般地区空气密度也非常低，特别是随着高度的增加，空气密度越来越低，气流受热加速相对滞后或不明显另外，由于地表覆盖物如茂密林地等可有效吸收多余太阳的热量，减缓近地层乱流的产生，而本工程项目场址区域内地表覆盖物基本均为低矮荒草地或裸露地面，光秃的地表吸热能力非常差，热量大部分用于近地层空气的加热，当下层空气不断加速甚至超高上层空气运动速度时，即产生负切变现象，这种现象在辐射量较高的夏季尤为明显，呈季节性变化式中：p为空气密度，kg/m3;P为实测气压，Pa;T为年平均开氏温标绝对温度（t℃+273）;R为气体常数（287j/kgk）;ρh、ρz分别为为高度h、z处空气密度。

3结论与建议文章依托实际工程测风塔和测光塔实测数据，利用太阳辐射量与风速之间的相对变化关系来对超高海拔地区负切变现象主要成因进行初步探究，主要得到以下结论1）超高海拔地区极易出现负切变现象，并且往往近地层高度风速最大，随着高度的增加风速反而减小通常风速垂直切变具有如下特征：低层风速切变大于高层风速切变;夜间风速切变大于白天风速切变;冬季风速切变大于夏季风速切变2）超高海拔地区负切变现象主要成因应来自于大气稳定性，而不是地形因素，虽然地形的确会对气流产生一定的影响3）大气稳定性对负切变的影响主要是通过太阳辐射量影响气流运动实现，太阳辐射到达地面后，下层空气受热而变得极不稳定，乱流逐渐发展，由于随着高度的增加空气密度越来越低，上层气流受热加速相对滞后或不明显，最终导致下层空气运动速度高于上层空气，即产生负切变4）风切变大小基本与与辐射量高低成反比关系，即白天辐射量高，风切变小;夜晚辐射量低，风切变大夏天辐射量高，风切变小;冬天辐射量低，风切变大，呈季节性变化白天、夏季负切变现象更加明显，与测风塔实测风切变的变化趋势基本一致5）地表覆盖物是产生负切变的一个重要因素当地表为低矮荒草地或裸露地面时，光秃的地表吸热能力差，热量大部分用于近地层空气的加热，导致地层乱流加剧，助推负切变产生。

超高海拔风电场工程在规划设计阶段，应尽量保证拟布机位点处地表覆盖物（粗糙度）与测风塔处基本一致，确保评估结果更加接近实际运行值6）超高海拔地区风电场不宜选用高轮毂风电机组，在保证机组安全运行的前提下，应适当降低轮毂高度，以提高发电效益7）結论主要基于具体工程数据得到的规律，下一阶段应进行更大范围内的一般规律的深入研究和验证粘接2019年7期粘接的其它文章互联网时代下在物联网领域中嵌入式系统的应用分析基于新型镁基复合材料的体育器材组织与性能研究芳纶及其复合材料产品在体育器材上的应用疏水剂对高强度混凝土抗冻性的影响实验基于现代化市场环境的化工产品营销技巧一种适用于低温低湿环境的单组分聚氨酯结构胶 -全文完-。