[發(fā)明專利]一種風(fēng)資源計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410617617.8
• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN104331621B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 辛克鋒;張曉東;王吉遠;劉麗麗;范忠瑤;龍泉;張辰源
• 申請（專利權(quán)）人: 中國大唐集團新能源股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06Q50/06
• 代理公司: 北京元中知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司11223
• 代理人: 王明霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)電場技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于解決復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址的風(fēng)資源計算方法。

背景技術(shù)

微觀選址是風(fēng)電場建設(shè)的最重要階段，主要任務(wù)是根據(jù)宏觀選址的風(fēng)場進行測風(fēng)工作，使用測風(fēng)點數(shù)據(jù)進行風(fēng)場內(nèi)風(fēng)資源評估，計算出整個風(fēng)場的風(fēng)功率，根據(jù)地形條件和風(fēng)分布進行風(fēng)機選型和風(fēng)機布點工作。風(fēng)電場微觀選址是在宏觀選址的基礎(chǔ)上布置風(fēng)力發(fā)電機組，使整個風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟效益。國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，風(fēng)電場微觀選址的失誤造成的發(fā)電量損失和增加的維修費用將遠遠大于對場址進行詳細調(diào)查的費用。因此，風(fēng)電場的微觀選址對風(fēng)電場的建設(shè)至關(guān)重要。目前國內(nèi)外的微觀選址通常采用CFD軟件，通過輸入風(fēng)能、氣象、地形、地貌等各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機的復(fù)雜計算來完成。

其中，風(fēng)能是由地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能，而人類可以利用的風(fēng)能主要集中在大氣邊界層，大氣邊界層是大氣層底部流動狀態(tài)受到地表影響的部分，其中最下面的稱為表面層，目前多數(shù)模型都是基于表面層設(shè)置的，但是，大氣邊界層表面層通常只有一百米左右的高度，而目前大型風(fēng)電機組的葉輪所在空域通常超過這個高度，所以基于風(fēng)電場風(fēng)資源評估技術(shù)，設(shè)計一種專門用于復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址的方法是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種用于優(yōu)化風(fēng)電場設(shè)計、風(fēng)電機組選型和排布的風(fēng)資源計算方法，通過模擬已知空間點的測風(fēng)數(shù)據(jù)來推算其他空間點的風(fēng)況，進而根據(jù)所有空間點的風(fēng)況確定適合安裝風(fēng)電機組的位置，也可以對已經(jīng)設(shè)置好風(fēng)電機組的風(fēng)電場的風(fēng)資源進行分析。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種風(fēng)資源計算方法，包括以下步驟：

S1，對原始地形數(shù)據(jù)進行處理，生成三維立體的計算域網(wǎng)格；

S2，對原始測風(fēng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到全年的風(fēng)況統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所述風(fēng)況統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括：風(fēng)速分布、風(fēng)速頻率、風(fēng)向頻率；

S3，根據(jù)所述風(fēng)況數(shù)據(jù)生成多個風(fēng)向邊界條件，通過所述計算域網(wǎng)格、風(fēng)向邊界條件和緯度、地表粗糙度得到CFD計算所需模型；所述CFD計算模型為全高度大氣邊界層數(shù)值計算模型，包括：壁面函數(shù)、湍流模型和風(fēng)廓線計算模型；

S4，根據(jù)CFD計算所需模型，使用CFD求解器計算得到各個風(fēng)向條件下的風(fēng)速和湍流分布；

S5，根據(jù)各個風(fēng)向條件下的風(fēng)速和湍流分布、測風(fēng)塔坐標、機位坐標、風(fēng)機功率數(shù)據(jù)以及風(fēng)況數(shù)據(jù)計算出風(fēng)資源分布情況；

1、壁面函數(shù)

壁面函數(shù)用來定義第一層網(wǎng)格在CFD計算所需模型；所述壁面函數(shù)包括湍流區(qū)域模型；所述湍流區(qū)域模型由傳統(tǒng)的壁面函數(shù)：

在考慮修正系a后得到等式：

其中，u⁺是無量綱壁面切線速度；z₀為地表粗糙度；κ為馮卡門常數(shù)；z_p是從近壁單元中心到壁面的距離；a為修正系數(shù)由試驗測量所得；

優(yōu)選的，

a1)將所述等式(2)，考慮空氣的運動粘度v、摩擦速度u_τ0后得到等式：

a2)將所述等式(3)經(jīng)變換得到等式：

a3)將無量綱壁面切線距離和地面無量綱粗糙長度帶入所述等式(4)中，得到等式：

其中，z⁺為無量綱壁面切線距離；

優(yōu)選的，所述第一層網(wǎng)格在水平面上的投影為矩形，網(wǎng)格的邊長為30m-50m；所述第一層網(wǎng)格的垂直高度一般在10m以內(nèi)。

2、湍流模型

湍流模型常數(shù)的標定為

其中，u^*為地表摩擦速度；k為湍流脈動動能；所述u^*和k均為測量得到。

3、風(fēng)廓線計算模型

所述風(fēng)廓線計算模型為所述計算域網(wǎng)格邊界部的計算模型，取所述計算域網(wǎng)格除第一層以外的區(qū)域，并且在每層計算域網(wǎng)格上都進行相同的計算；

所述風(fēng)廓線計算模型包括：湍動能耗散率ε；湍動能耗散率由傳統(tǒng)的大氣邊界層表面層的湍動能耗散率在考慮系數(shù)后得到

其中，u^*為地表摩擦速度，由測量得到；κ為馮·卡門常數(shù)；κ＝0.4；z為所述計算域網(wǎng)格中心點的高度；z_i為在所述計算域大氣邊界層的厚度；

優(yōu)選的，所述風(fēng)廓線計算模型還包括：湍流脈動動能k的計算模型；所述湍流脈動動能在大氣邊界層表面層的模型是由常用等式

在考慮系數(shù)：后得到全高度大氣邊界層的模型：