第三章 风资源评估.ppt

华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 1 风力机空气动力学第三部分 风资源的评估 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 2 3 风场中的空气动力问题 风资源评估世界能源委员会 WorldEnergyCouncil 将风资源评估分为五类 气象测量储存量 Meteorologicalpotential 它等价于可用风能资源 地域风能储量 Sitepotential 它是在前者的基础上 限定了地形的因素 技术可开发风能储量 Technicalpotential 经济可用风能储量 Economicpotential 是经济可用的技术可开发量 可实现的风能储 Implementpotential 考虑风力机在一定时间内能捕获的风能资源 最常评估的是前三种 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 3 1 大气边界层内风特性 1 4 平均风特性 风资源评估我国气象局根据 全国风能资源评价技术规定 和国家发展改革委印发的 全国大型风电场建设前期工作大纲 发改办能源 2003 1287号 初步探明我国陆上距地面10米高度 全国风能资源总储量42 65亿KW 技术可开发量2 98亿KW 面积约20万平方公里 潜在技术可开发量为0 78亿KW 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 4 3 风场中的空气动力问题 风电场选址风电场选址包括宏观选址和微观选址宏观选址从一个较大的地区 从几十平方公里到几十万平方公里的范围 对气象条件 风能资源 并网条件 经济条件 地理条件 地形条件 环境影响等方面进行综合考察后 选择一个风能资源丰富 而且最有利用价值的小区域 通常小于十平方公里 微观选址在宏观选址中选定的小区域中确定如何布置风力机 使整个风电场具有较好的经济效益一般 风电场选址需要两年时间 国内外的经验教训表明 由于风电场选址的失误造成发电量损失和增加维修费用将远远大于对场址进行详细调查的费用 因此 风电场选址对于风电场的建设是至关重要的 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 5 3 风场中的空气动力问题 宏观选址原则根据风能资源调查与分布的结果 选择最有利的场址 以求增大风力机组的出力 提高供电的经济性 稳定性和可靠性 最大限度地减少各种因素对风能利用 风力发电机组使用寿命和安全的影响 全方位考虑场址所在地对电力的需求及交通 电网 土地使用和环境等因素气象条件风能资源丰富区 10m高度处的年平均风速在6m s以上 风功率密度大于200W m2的地区风向比较稳定的地区风能日变化和年变化较小的地区气候灾害 包括台风 风暴 积冰 风沙 盐雾 雷电 冰雹等 较少的地区并网条件风电场场址要邻近主电网 便于并入主电网 使风电场投资中的线路投资较少 从而降低风电成本 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 6 3 风场中的空气动力问题 经济条件该地区的经济发展状况与对电力需求的程度地理条件风电场的地理位置 海拔高度以及交通运输等基础设施条件等状况 它们将直接影响风力发电机组的运输 安装和调试等地形条件地形条件是指风电场场址的地形 地貌以及地面障碍物等 风电场场址最好选在 平坦地形 即在4km 6km半径范围内 场址周围地形的高度差小于50m 并且地形高长比小于0 03 即3 坡度 另外 还要考虑建筑物和防护林带等地面障碍物对其附近气流的扰动作用环境影响评估有利方面 风电场对减轻环境污染 改善当地能源结构以及保护生态环境等方面所产生的社会效益和环境效益不利方面 影响附近地区的景观 对鸟类及其它动物生活的干扰 以及风力发电机组所产生的噪声污染和电磁干扰影响等 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 7 3 风场中的空气动力问题 风功率密度理解 风能 需要很好地理解 功 功率 和 能量 力 距离 功 当力使物体移动了一定的距离 就对该物体做了功力 速度 功率 功率是做功的比率 即 由施加在物体上的力与物体运动的速度之乘积 得到为该物体作用的功率 风力机的机械功率是通过风绕流叶片时所产生的空气动力 力矩 驱动风力机轴所产生的 即力矩 转速 功率 时间 能量机械能可以是势能或动能一个举起的物体具有势能 由于物体的高度和运动速度 释放后势能变成动能 并随速度的平方增加 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 8 3 风场中的空气动力问题 运动着的风具有动能 风速的平方当风吹向一个物体是 速度会减小 动能减小 而 静 压力会提高 势能提高 导致可驱动物体运动的作用力 与动能成比例由于功率 力 速度 所以 风的功率与速度的三次方成比例风功率 P 0 5 r A V3A面积 r空气密度 V风速这是风所具有的能量 而风力机最大可能吸收的风能仅为其的16 27 0 59259 贝茨极限 如果把风所具有的能量全都吸收了 会发生什么 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 9 1 大气边界层内风特性 1 4 平均风特性 风功率密度 单位面积上的风功率设空气流动质量流量为dm dt 密度为 风速 假定为均匀风速 为U 风轮面积为A 根据连续方程有 dm dt AU单位时间的动能 即功率可表示为P 1 2 dm dt U2 1 2 AU3单位面积上的功率P A 即风功率密度表示为P A 1 2 U3注意 风功率密度与空气密度成正比 在标准情况下 空气密度为1 225kg m3风功率与风轮扫过的面积成正比 传统的水平轴风力机的风轮直径的平方 风功率密度与风速的立方成正比风力机的输出功率还要考虑到空气动力学问题以及风轮和发电机的联合效率的影响 实际上 水平轴风力机最大可能利用风能约为45 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 10 1 大气边界层内风特性 1 4 平均风特性 如果某地区的年平均风速是已知的 可以知道年风功率密度 更准确一点 已知一年内每小时的平均速度Ui 得到以小时平均的年平均风功率密度 年平均风速Ke 能量形式因子 N 年小时数 8760 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 11 3 风力机空气动力学 3 10 风电场中的空气动力问题 各稳定风速下的风功率密度 空气密度 1 225kg m3 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 12 中国风功率密度分布 中国气象局第三次普查结果 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 13 3 风场中的空气动力问题 微观选址现场测风在微观选址时 仅有气象资料提供的风速 风向数据是不够的 一般要在装机地点用测风塔进行1年的现场测风 测量风向 风速 温度 湍流度等 风力机布局在风电场中 风力发电机组的排布是风电场微观选址的核心 排布方式的好坏将直接影响风电场的容量系数 即影响实际发电量的多少 最佳的风力发电机组排列方式 取决于风速历程 风向历程 不同风向下的风速值 地形地貌 风力机尾流效应 风力机特性以及塔架高度等 风电场场址评估风电场场址评估决定于风电场场址的风资源 投资规模 贷款利息 风力机性能及电网负荷等因素 评估时要根据上述因素计算风电成本 并与当地常规电力成本比较 得出评估结论 如果风电成本与当地常规电力成本比较 考虑到社会效益和环境效益 风电成本略高于当地常规电力成本 则认为风电场场址的选择是合理的 风电场工艺布置在风电场微观选址后 要对风电场进行总体规划 绘制风电场工艺布置图 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 14 3 风场中的空气动力问题 风的测量为进行精确的风力发电机组微观选址 现场所安装的测风塔的数量一般不能少于2座 若条件许可 对于地形复杂区应该为4 8座 测风塔应该尽量安装在最能代表并反映风电场风能资源的位置 测风应该在空旷地进行 尽量远离高大树木和建筑物 在选择位置时要充分考虑地形和障碍物的影响 如果测风塔必须安装在障碍物附近 则在盛行风的下风向与障碍物的水平距离应不少于该障碍物高度的10倍处安装如果测风塔必须设立在树木密集的地方 则至少高出树木顶端10米每个风电场场址只需按一套气压和温度传感器 其塔上安装高度为2 3米 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 15 3 风场中的空气动力问题 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 16 3 风场中的空气动力问题 风力机尾流效应风力机吸收了能量和风力机本身对气流的扰动 在下游形成尾流区尾流区内的速度要经历衰减和恢复的过程 尾流区会影响风力机的功率输出和结构疲劳尾流模型尾流模型是描述风力机尾流结构的数学模型 用于计算风力机尾流区的速度分布和风电场中处在尾流区的风力机的功率输出目前使用的尾流模型有半经验的尾流模型和用数值计算方法建立的尾流模型 数值计算方法是通过求解N S方程得到的主要介绍几种半经验的尾流模型无粘近场尾流模型简化尾流模型半经验尾流模型AV尾流模型 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 17 3 风场中的空气动力问题 无粘近场尾流模型假设在风力机近场尾流区的流动是无粘旋转的流动 根据毕奥 萨伐定律可得到风力机尾流旋转轴上的无量纲轴向速度的表达式为式中Vc 尾流旋转轴上的轴向速度 V 来流速度 x x D x为风轮下游某点到风轮平面的轴向距离 D为风轮直径 a 风轮轴向速度诱导因子 无粘近场尾流模型只能近似用于描述时的风力机尾流区速度分布 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 18 3 风场中的空气动力问题 简化尾流模型根据轴对称物体尾流理论建立的一种远场尾流模型 其无量纲尾流半径可表示为式中r 尾流半径 D 风轮直径 参数 在低湍流度下 一般取0 18 参数 0 4860CT CT为风轮轴向力 推力 系数 无量纲尾流旋转轴上的速度损失 v c可表示为无量纲尾流横向剖面上的相对速度损失 v d可表示为式中 y为横向某点距风轮旋转轴的距离 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 19 3 风场中的空气动力问题 半经验尾流模型是丹麦国家实验室RIS 发展的一种尾流模型 它主要用于计算风电场中处在尾流区的风力机的功率输出假设尾流初始直径为风轮直径尾流增长速率呈线性关系尾流横向剖面上的速度是均匀的 半经验尾流模型 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 20 3 风场中的空气动力问题 根据动量定理可得到风力机尾流区无量纲轴向速度的表达式为式中Vc 尾流区轴向速度 V 来流速度 x 风轮下游某点到风轮平面的轴向距离 D 风轮直径 k 尾流衰减系数 可根据风场试验结果确定 当两台风力机串列布置时 上游风力机的尾流衰减系数k取0 075 下游风力机的尾流衰减系数k取0 11a 风轮轴向速度诱导因子 即尾流初始速度损失系数 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 21 3 风场中的空气动力问题 AV尾流模型是在Abramovich射流理论基础上发展的一种全场尾流模型它将风力机尾流区分成四个区域 在每个区域内 假设尾流增长速率呈线性关系 并与机械湍流和 或背景湍流有关 AV尾流模型 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 22 3 风场中的空气动力问题 区域 的尾流特性是近场尾流区 从风轮旋转平面一直延伸到风轮后锥形均匀流区的末端 区域的速度分布随均匀流和外流混合区的相对大小变化而变化 其尾流增长速率主要取决于机械湍流 背景湍流则有一定的影响区域 中与机械湍流相关的无量纲尾流长度可表示为式中 区域 中与机械湍流相关的尾流长度 r0 初始尾流半径 风轮半径 无量纲初始尾流半径 为初始速度比 V 来流速度 V0 初始速度 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 23 3 风场中的空气动力问题 区域 的无量纲尾流总长度可表示为式中 由背景湍流引起的尾流增长速率 扩散系数 与大气湍流强度有关 在AV尾流模型中 大气湍流强度是由Pasquill稳定级或风向的标准差 来表示的 区域 末的无量纲尾流半径 即风轮后锥形均匀流半径可表示为区域 的无量纲尾流半径可表示为 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 24 3 风场中的空气动力问题 大气边界层中Pasquill稳定级 风向标准差 及d dx之间的关系 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 25 3 风场中的空气动力问题 区域 的尾流横向剖面上的无量纲速度可表示为式中 参数 其中r2为风轮下游区域 内尾流半径 r1为风轮后锥形均匀流半径 r为某点到尾流旋转轴的距离 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 26 3 风场中的空气动力问题 区域 的尾流特性区域II末的无量纲尾流长度为区域 的尾流增长速率与区域I一致 故区域 的无量纲尾流半径r2为区域 的尾流横向剖面上的无量纲速度可表示为 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 27 3 风场中的空气动力问题 区域 的尾流特性区域 的无量纲尾流半径可表示为式中 尾流旋转轴上的无量纲化速度损失系数 即区域 的尾流横向剖面上的无量纲速度可表示为 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 28 3 风场中的空气动力问题 尾流区风特性尾流区平均速度风力机从空气气流中吸收了能量和风力机本身对空气气流的扰动 尾流区的速度有一个衰减和逐渐恢复的过程 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 29 3 风场中的空气动力问题 背景湍流度对尾流中心线上的速度影响较大 背景湍流度越大 尾流中心线上的速度越大不同背景湍流度对区域 范围的影响很大 背景湍流度越大 区域 范围越小在背景湍流度为0时 区域 延伸到24倍风力机直径附近 而当Pasquill稳定级C时只延伸到约4倍风力机直径处背景湍流度越高 尾流区速度恢复越快 背景湍流度对尾流区中心线平均速度分布的影响 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 30 3 风场中的空气动力问题 尾流区脉动速度在风力机尾流区内 离风力机越近的截面 脉动速度均方根值越大 同一截面位置内 离风力机轴线越近 脉动速度均方根值越大 轴向和横向的量阶相同 尾流区截面内脉动速度分布 a 轴向 x方向 b 横向 y方向 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 31 3 风场中的空气动力问题 尾流对风力机性能的影响风力机串列布置指下游风力机风轮旋转轴线与上游风力机风轮旋转轴线重合的情况在x D 4时 计算得到的最大风轮功率系数为没有尾流影响的45 左右 在x D 6时 为65 左右 在x D 8时 为75 左右 在x D 16时 为97 左右 尾流影响基本可以忽略 串列布置时尾流区风力机风轮功率系数 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 32 3 风场中的空气动力问题 风力机斜置布置指下游风力机风轮旋转轴线与上游风力机风轮旋转轴线平行的情况两台风力机轴线之间的距离W越大 尾流的影响就越小在同一尾流截面位置 湍流强度越大 尾流的影响区域越大 斜列布置时尾流区风力机风轮功率系数 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 33 3 风场中的空气动力问题 瑞典FFA在风电场测量了尾流对风力机功率输出的影响 实测结果表明 风速为12m s情况下 当两台风力机串列相距5D时 则处在尾流区的风力机的功率输出为无尾流干扰时的60 左右 相距9 5D时为80 左右 尾流区风力机功率输出特性 下游风力机与上游风力机交错布置可以在很大程度上减少上游风力机尾流的影响 这时 当两台风力机风轮旋转轴线之间的距离大于3倍风力机直径后 通常可以不考虑两列风力机之间的尾流效应 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 34 3 风场中的空气动力问题 尾流对风力机载荷的影响在风力机尾流区内 除了因气流速度降低使下游风力机的功率输出减小外 还因来流湍流强度增加和湍流积分尺度的减小 使下游的风力机的动态载荷增加当两台风力机串列布置时 处在尾流区的风力机叶片挥舞弯矩明显地增加 影响风力机叶片的疲劳寿命 尾流区风力机载荷特性 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 35 3 风场中的空气动力问题 风力机布置当风电场选址后 在进行风力机排布时应符合下列原则 平坦地形上排布当场址盛行风向为一个方向或两个方向 且相互反方向时 则可沿盛行风向斜置排布风力机 前后排风力机的间距取5倍 9倍风力机风轮直径 风力机的间距取3倍 5倍风力机风轮直径当场址有多个盛行风向时 则风力机排布一般采用 田 形或圆形分布 风力机的间距应相对大一些 通常取10倍 12倍风力机风轮直径复杂地形上排布风力机除了要考虑风力机尾流效应外 还要充分考虑复杂地形绕流对风力机性能和载荷的影响 华北电力大学 风能专业工程硕士课程 风力机空气动力学 36 3 风场中的空气动力问题 风电场软件国际上已开发了商用的风电场软件 如WAsP Park WindFarmer Windsim和Windpro等 可对风电场选址和风力机排布起指导作用 计算流体软件也已经试用于风电场的微观选址 如NUMECA软件 WAsP WindAtlasAnalysisandApplicationPrograms 软件由丹麦国家实验室 RIS 风能应用开发部开发的风资源分析处理软件 功能 对某地区进行风资源评估 评估时 考虑了不同地形表面粗糙度及附近障碍物所产生的影响 同时还考虑了复杂地形对风特性的地面影响 可根据某一地区的风资源情况推算出另一地区的风资源 这对评估那些地处偏僻 又无气象资料记录的地区的风资源是非常有用的 需要原始数据 气象数据 地表面粗糙度数据 地面障碍物数据 复杂地形数据 风力发电机组功率曲线数据 场地参考坐标等 输出结果 平均风速 风向玫瑰图 风能密度 年发电量 地面障碍物对某点风速 风向 风能密度和年发电量的影响 华北电力大学 风