文 | 陳志剛 李凱 施歡歡 楊永鋒

基于中尺度大氣模型嵌套CFD技術(shù)的高分辨率復(fù)雜地形風(fēng)能資源評(píng)估方法研究﹡

文 | 陳志剛 李凱 施歡歡 楊永鋒

過去對(duì)大范圍風(fēng)能資源普查基本上是基于對(duì)風(fēng)能資源資料的收集、當(dāng)?shù)鼐用褡咴L，憑借一定的原則和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行風(fēng)電場的宏觀選址；經(jīng)過至少一年的立塔測風(fēng)后，確定前期選定的場址是否具有開發(fā)價(jià)值。傳統(tǒng)風(fēng)能資源普查方法具有較強(qiáng)的主觀性，存在時(shí)間和資金浪費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著風(fēng)電開發(fā)熱點(diǎn)由三北風(fēng)能資源豐富的大風(fēng)電基地轉(zhuǎn)向地形復(fù)雜和風(fēng)能資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，風(fēng)電場開發(fā)難度和盈利風(fēng)險(xiǎn)增大，迫切需要提高大范圍風(fēng)能資源評(píng)估的精度和速度。

在復(fù)雜地形中，風(fēng)能資源分布受地形影響，局部氣候差異較大，測風(fēng)塔代表區(qū)域有限，難以準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)能資源分布。采用中尺度大氣模式可以考慮局部氣候差異的影響，但受到中尺度模式分辨率較粗的限制，中尺度大氣模式無法考慮到微觀地形的影響；CFD技術(shù)在一定的評(píng)估區(qū)域內(nèi)可以提高分辨率，但無法考慮大范圍小氣候異化的影響。通過結(jié)合中尺度大氣模式和CFD技術(shù)的優(yōu)勢，采用中尺度大氣模式獲得復(fù)雜地形大范圍的低分辨率風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果；基于CFD技術(shù)，對(duì)中尺度低分辨率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行降尺度處理，獲得微觀尺度的高精度風(fēng)能資源分布。實(shí)例驗(yàn)證表明，結(jié)合中尺度大氣模式和CFD降尺度技術(shù)，綜合考慮微地形小氣候和復(fù)雜地形的影響，可以獲得大范圍高精度的風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果，能夠有效地解決復(fù)雜地形風(fēng)能資源評(píng)估中微地形小氣候的問題。

中尺度大氣模式原理

中尺度大氣模式是小于天氣尺度，大于單個(gè)積云尺度的天氣系統(tǒng)研究，水平尺度一般約2km到2000km。通常根據(jù)研究需要的不同而采取不同的尺度：在雷暴、對(duì)流現(xiàn)象和復(fù)雜地形流動(dòng)研究中采用2km－20km水平尺度（Meso－γ）；在處理如海風(fēng)現(xiàn)象、湖泊效應(yīng)和暴雪等氣候常采用20km－200km水平尺度（Meso－β）；在研究颮線、中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）和在熱帶氣旋等現(xiàn)象時(shí)采用200km－2000km水平尺度（Meso－α）。

二戰(zhàn)后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣象預(yù)報(bào)技術(shù)也隨之突飛猛進(jìn)。短短的幾十年里，世界各地的氣象研究機(jī)關(guān)開發(fā)出了各自的相對(duì)獨(dú)立的氣象模式。NCAR、NCEP、FSL、AFWA和OU等美國的科研機(jī)構(gòu)對(duì)氣象模式進(jìn)行了統(tǒng)一，于2000年開發(fā)出了WRF模式。

采用中尺度大氣模式進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，不需要樹立測風(fēng)塔測風(fēng)，在計(jì)算分辨率足夠小的情況下，中尺度大氣模式可以考慮到復(fù)雜地形風(fēng)電場局部氣候的差異。受到計(jì)算機(jī)硬件的限制，中尺度大氣模式的分辨率較粗，在風(fēng)電場的風(fēng)能資源詳細(xì)評(píng)估中需要結(jié)合CFD降尺度技術(shù)，以滿足風(fēng)電場選址的工程精度需要。

CFD降尺度原理

對(duì)于有限的評(píng)估范圍，假設(shè)氣候具有局部的均一性，風(fēng)流不是雷諾依賴的（即定向風(fēng)特性是不依賴于風(fēng)速的），特定風(fēng)向的風(fēng)流分布可以用風(fēng)加速因子表達(dá)。

CFD技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行模擬求解，將風(fēng)電場的流場分解為小的立方體空間（即通常

我們所說的網(wǎng)格），并在其中求解復(fù)雜的偏微分方程組。如式(1)和(2)所示，風(fēng)電場內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)可以通過Navier－Stokes流體運(yùn)動(dòng)方程與連續(xù)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

模擬流體最準(zhǔn)確的方法是直接數(shù)值模擬，從而需要在小于Kolmogorov長度尺度的網(wǎng)格中求解方程（針對(duì)于自然風(fēng)，湍流中最小渦旋尺寸從0.1mm到1 mm）。針對(duì)于實(shí)際的工程流體，采用直接數(shù)值模擬方法將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的能力。為了降低計(jì)算數(shù)量，需要對(duì)湍流進(jìn)行模擬并對(duì)Navier－Stokes方程進(jìn)行簡化。

中尺度計(jì)算結(jié)果代表一定區(qū)域內(nèi)的風(fēng)流參數(shù)平均值，通過對(duì)各風(fēng)向進(jìn)行定向計(jì)算并結(jié)合中尺度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，獲得一定評(píng)估區(qū)域內(nèi)的高分辨率的風(fēng)流場分布。

算例

為了驗(yàn)證基于中尺度大氣模型及CFD技術(shù)的高分辨率的風(fēng)能資源評(píng)估方法在復(fù)雜地形的適用性，采用基于WRF的大氣模式獲得云南省楚雄州祿豐縣老青山風(fēng)電場的1km分辨率中尺度風(fēng)能資源分布圖譜，以中尺度計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)電場CFD計(jì)算軟件WT進(jìn)行降尺度計(jì)算，最終得到各測風(fēng)塔位置的風(fēng)速時(shí)間序列，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

一、項(xiàng)目背景簡介

老青山風(fēng)電場場址位于楚雄州祿豐縣和昆明市富民縣交界的老青山一帶，地理范圍介于北緯25°06′40"－25°25′22"，東經(jīng)102°18′46"－102°25′10"之間。場區(qū)南北長近23km、東西寬約11km，海拔在2030m－2754m之間。山脊的西側(cè)為祿豐壩區(qū)，海拔高度落差較大，坡度較陡，而其東側(cè)為富民壩區(qū)，下降較緩，坡度較小，場址區(qū)內(nèi)風(fēng)速具有明顯的抬升壓縮加速效應(yīng)。風(fēng)電場內(nèi)植被主要以灌木、草甸及云南松為主，山脊處地表以土夾石為主。

二、各測風(fēng)塔關(guān)聯(lián)度分析

如圖 1所示，風(fēng)電場區(qū)內(nèi)樹立了M5471、M5403、M5443、M5470和M5466共5座測風(fēng)塔，測風(fēng)時(shí)間均在1年以上。

各測風(fēng)塔之間的相對(duì)距離和風(fēng)速的相關(guān)度如表 1和表2所示。由于復(fù)雜地形局部氣候的差異，測風(fēng)塔有效代表范圍有限，由圖 2可以看出，各測風(fēng)塔之間的相關(guān)度隨著測風(fēng)塔距離的增大而迅速降低。

三、中尺度分析結(jié)果

圖 3為中尺度平均風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，橫軸和縱軸為評(píng)估區(qū)域的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

圖1 各測風(fēng)塔位置

表1 各測風(fēng)塔之間的距離

表2 各測風(fēng)塔之間關(guān)聯(lián)度（70m高度）

圖2 各測風(fēng)塔之間關(guān)聯(lián)度（70m高度）

圖3 中尺度平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

以M5443為例，各測風(fēng)點(diǎn)與中尺度結(jié)果關(guān)聯(lián)度分析如圖 4和圖 5所示，小時(shí)平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.7443，日平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.9。

中尺度計(jì)算結(jié)果為逐小時(shí)時(shí)間數(shù)列，小時(shí)平均風(fēng)速和風(fēng)向中尺度計(jì)算結(jié)果與測風(fēng)塔實(shí)測對(duì)比如圖 6所示，可以看出，風(fēng)速和風(fēng)向變化趨勢與實(shí)測結(jié)果符合程度較好，在風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速M(fèi)CP關(guān)聯(lián)分析中，可以用以替代氣象站數(shù)據(jù)。

四、CFD降尺度結(jié)果

以中尺度計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用WT針對(duì)各測風(fēng)塔周邊3km進(jìn)行降尺度計(jì)算，CFD降尺度計(jì)算采用的高程信息模型和地表粗糙度如圖 7和圖 8所示。水平分辨率20m，最小垂直分辨率4m，垂直擴(kuò)展系數(shù)1.2，定向計(jì)算扇區(qū)間隔10°，各扇區(qū)平均計(jì)算耗時(shí)55min，網(wǎng)格數(shù)量450萬左右。

對(duì)中尺度計(jì)算結(jié)果的進(jìn)行CFD降尺度計(jì)算風(fēng)向結(jié)果對(duì)比如圖 9和圖 10所示，主風(fēng)向計(jì)算誤差在5°左右，可以滿足風(fēng)電場選址的工程精度要求。

測風(fēng)塔M5443實(shí)測70m高度平均風(fēng)速為8.68m/s，形狀因子為1.974，中尺度結(jié)合WT進(jìn)行降尺度計(jì)算平均風(fēng)速為8.29m/s，形狀因子為2.02，平均風(fēng)速計(jì)算誤差4.49%。測風(fēng)塔M5443周邊3km降尺度平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果如圖 11和圖 12所示，中尺度結(jié)合WT進(jìn)行CFD降尺度計(jì)算風(fēng)速分布規(guī)律與基于測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)的CFD計(jì)算結(jié)果風(fēng)速分布規(guī)律接近，對(duì)風(fēng)電場選址具有指導(dǎo)意義。

圖4 M5443測風(fēng)塔實(shí)測小時(shí)平均風(fēng)速與中尺度計(jì)算結(jié)果并聯(lián)度

圖5 M5443測風(fēng)塔實(shí)測日平均風(fēng)速與中尺度計(jì)計(jì)算結(jié)果并聯(lián)度

圖6 中尺度風(fēng)向風(fēng)速計(jì)算結(jié)果與測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 高程信息

圖8 粗糙度

圖9 M5443實(shí)測風(fēng)玫瑰圖

圖10 M5443 降尺度風(fēng)玫瑰計(jì)算結(jié)果

圖11 M5443周邊基于實(shí)測數(shù)據(jù)風(fēng)速

圖12 M5443周邊基于中尺度CFD降尺度風(fēng)速

圖13為根據(jù)M5443實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算所得的測風(fēng)塔周邊3km范圍湍流強(qiáng)度分布。中尺度模式無法直接得出湍流強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)中尺度計(jì)算結(jié)果結(jié)合地表粗糙度的設(shè)置，降尺度后M5443周邊湍流強(qiáng)度分布如圖 14所示。測風(fēng)塔實(shí)測M5443在70m高度強(qiáng)風(fēng)湍流強(qiáng)度為0.115，降尺度計(jì)算湍流強(qiáng)度受到地表粗糙度設(shè)置的主觀影響，降尺度計(jì)算強(qiáng)風(fēng)湍流強(qiáng)度為0.083。湍流強(qiáng)度的準(zhǔn)確計(jì)算依賴于中尺度地表粗糙度計(jì)算的可靠性，中尺度地表粗糙度計(jì)算結(jié)果受到局部小地形的影響較大，需要進(jìn)一步的研究以增加降尺度湍流強(qiáng)度的計(jì)算精度。

圖13 M5443周邊基于實(shí)測數(shù)據(jù)湍流強(qiáng)度

圖14 M5443周邊基于中尺度降尺度湍流強(qiáng)度

結(jié)論

(1) 基于中尺度大氣模型及CFD技術(shù)的風(fēng)能資源評(píng)估方法可以進(jìn)行大范圍高精度的風(fēng)能資源評(píng)估，有效地解決了復(fù)雜地形測風(fēng)塔代表性的問題。

(2) 結(jié)合中尺度大氣模式和CFD降尺度技術(shù)，可以在樹立測風(fēng)塔前獲得大范圍高精度的風(fēng)能資源分布，為風(fēng)電項(xiàng)目前期尋找資源提供了技術(shù)的可能。

(3) 中尺度大氣模式結(jié)合CFD降尺度技術(shù)，所得計(jì)算結(jié)果的精度可以滿足風(fēng)電前期項(xiàng)目要求。

（作者單位：陳志剛 李凱 施歡歡：上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司；楊永鋒：中電投電力工程有限公司）