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随着传统化石能源的日益枯竭及化石能源导致的环境污染不断加重,世界各国都意识到了发展可再生能源的重要性,当今世界正步入“能源过渡时代”。风能是目前可再生能源中技术相对成熟,并具有规模化开发条件和商业化发展前景的一种能源,越来越多的国家开始致力于这一清洁能源的开发。
在风电产业快速发展的同时,人们注意到建设在大气边界层中的风电场对气象要素所造成的影响:风电机把流经其叶片扫略面积的风的一部分动能转化为电能,从而使风速减小;风电机叶片运动所产生的湍流会影响气温、热通量、湿度等气象要素。
本论文研究上述风电场的两个影响:从理论上计算大规模风电场建成运行对风能资源的影响;利用WRF模式模拟酒泉地区一风电场建成运行对气象要素的影响。
在大规模风电场建成后对风能资源的影响研究中,考虑了千万千瓦级风电基地建成后风电机群对近地面层风速的影响,采用Frandsen研究大规模风电场内部风速损失时所使用的方法,在内边界层已经充分发展成新的内边界层的区域内,对轮毂高度(65m)处建场后的风速Uh进行了计算。结果表明:风电场建成运行后研究区域内Uh与轮毂高度处建场前的风速U0相比变小,存在风速损失;由于风电机推力系数CT随风速增大而减小,风速损失随着Uo的增大而减小;大规模风电场建成运行后,Uh在3m/s-20m/s范围内的平均风功率密度与建场前U0在此范围内的平均风功率密度相比损失约为58.45%,损失较大是因为建场地区建场前轮毂高度处出现小值风速(<10m/s)的概率较大。
在风电场的环境效应研究中,利用WRF模式进行敏感性试验模拟风电场的建成运行对气象要素的影响。结果表明:风电场建成运行影响其内部高层(20m高度以上)和低层(近地面)的空气温度、地表感热通量,且影响结果随时间呈周期变化;在凌晨、上午、夜间,风电场使得高层轮毂高度以上空气降温、轮毂高度以下空气升温,低层空气降温(高层空气温度的变化没有向下延伸至近地面),地表向下感热通量减小;在下午,风电场导致高层空气降温,低层空气升温,地表向上感热通量减小;在下午,由于背景(不存在风电场)湍流强度大,以上所述气象要素的变化幅度较小;风电场对其内部低层水汽的影响比较复杂。
风电场对其外部气象要素的影响主要集中在风电场的下风方向。在凌晨、上午、下午,风电场下风方向西南侧低层空气温度呈偶极型变化;在凌晨、上午,风电场下风方向西南侧地表感热通量的变化分布与地表面空气温度的变化分布一致,而在下午二者不一致;风电场的尾流效应使得其下风方向轮毂高度附近风速减小,背景风速越大、背景湍流越弱,风电场的尾流效应越明显。
发展风力发电要使用客观、科学的风能资源评估方法,现有风能资源评估方法大多使用评估地区建场前轮毂高度处的风速资料U0,因此该评估方法存在较大误差;发展风力发电也要考虑风电场的环境效应,以保证风电产业的可持续发展。本论文研究结果有利于改进现有风能资源评估方法并促进风能资源的合理利用。