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书上说风能是一种取之不尽的清洁能源,可现实是容易开发的区域越来越少,勇敢的开发者只好向地形复杂的山地区域进军,而这些区域地形起伏大、变化多,风能资源分布不均匀,且气候条件比较复杂、植被繁多,风况变化多端,使得风机的应用环境变得格外复杂。
简单地说,复杂地形的风况因地形而生。
我们改变不了地形,我们必须认识和掌握这类地形的风。唯有这样,我们才能知道风机在运行过程中会遇到的问题,不能因为风耍个性坏了风机的发电性能和性命。
那好问题来了,破坏风机的复杂地形的风究竟是什么性情?!
先来说风机在复杂多变风况中遇到的问题。复杂的山地,地势起伏,风机只能部署在山脊上,而大部分情况下主风向垂直于山脊,这就造成了山地风况与平地风况的区别。
如下图所示,由于地面摩擦力的影响,风速在竖直方向上的分布一般呈对数分布,但在中性大气条件下遇到陡坡后,风速的分布就不再遵守对数分布,而是更加均匀;更有甚者,在稳定大气条件下,坡顶上的风更可能出现负剪切的情况,也就是说,高度低的风速高,高度高的风速反而低。
值得注意的是,还有一些极端情况,由于机位限制或者施工条件限制,风机不得不部署在山脊背后,此时风况将会变得更加恶劣,如下左图所示那样,风吹过山坡后,由于分离效应,使得山坡后的风产生非常大的旋流和湍流,甚至存在着气泡;如下右图所示,若将风机立于此地,风机将经受极端异常的严苛环境的考验。
举个实例,下左图描述了某风电场某机位风剪和风速的分布,可以看到风剪切大部分情况都在0附近,极端情况可能低于-0.2,而一般风机设计时是按照+0.2进行载荷校验的。风剪越负,则代表了风机的疲劳载荷越大,且很可能带来叶片与塔筒净空不足的问题。
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