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1、风资源评估-工程应用粗糙度篇（1）目录一、必看内容：1二、实际工程经验4问题一：4问题二：4问题三：5一、必看内容：为了计算地形和地貌对风的影响，需要对其特征进行系统的描述。地形和地貌对风的影响主要来自于三个方面：地形、障碍物和粗糙度。空气在流动的过程中不仅受到气压梯度力和地转偏向力的作用，而且在离地面1.5公里的近地面大气层里，它还受到地面障碍物的影响，气象学上将1.5公里以下的气层称为摩擦层。在摩擦层里，空气经过粗糙不平的地表面，受到摩擦力的作用，空气流动的速度，也就是风速会越来越小。由于地表粗糙程度不一，作用于空气的摩擦力的大小也就不同，风速减小的程度也就不同，地面粗糙度越大，作用于空气
2、的摩擦力也就越大，相应的风速减小的也就越多。1) 地表粗糙度有地表粗糙元的尺寸和分布决定，对于陆地表面，粗糙元主要有植被、建筑区和土壤表面。2) 一旦确定了特定表面的粗糙长度，它将不随风速、大气稳定度和应力而改变。3) 粗糙长度Z=0.5*h*S/Ah:粗糙元的高度 S：粗糙元迎风面的截面积 A：平均每个粗糙元所占的面积；粗糙度有很多计算方法，具体见【几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究】4) 实际工程中主要根据经验值进行粗糙度划分和设置： 在风力发电领域对地面粗糙度进行了分类，总共分为A、B、C、D四类，各类对应的地表状况如下： A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类指田野、乡村
3、、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城市郊区； C类指有密集建筑群的中等城市市区； D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。5) 图1 A类 图2 B类 图3 C类 图4 D类 6) 为了能对地面粗糙度进行量化分析，通常使用粗糙度长度（表征完全湍流中表面粗糙程度所用的特征长度参数，单位为：m）Z0对地面粗糙度进行度量，其值分布于0-2m之间。表1中列出了地面粗糙度等级值对应的粗糙度长度值，以及能源指数和地表特征。 7) 表1：地面粗糙度等级及粗糙度长度（来源于德国风能协会）粗糙度等级粗糙度长度Z0 m能源指数 (百分比)地表特征00.0002100海，湖0.50.002473开阔地带且地势平坦
4、，如机场跑道1.00.0352开阔的田野，没有栅栏、树木等，但可以有起伏的丘陵和非常分散的矮建筑物1.50.05545可以有一些房屋和高8米但距离超过1公里的灌木、树木等的田野2.00.139可以有一些房屋和高8米但距离超过500m的灌木、树木等的田野2.50.231有很多的房屋，灌木和植物，和高8米距离250m的树木等的田野3.00.424小村庄，小城市，或者拥有高大灌木树木的粗糙不平的田野3.50.618有密集建筑群的中等城市市区4.01.613有密集建筑群但房屋较高的大城市市区8) 在确定某地区的地面粗糙度类别时，若无实测资料，风力发电领域上可按下述原则近似。1. 以拟建房屋为中心、2k
5、m为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风向；2. 以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙类别。当平均高度不大于9m时为B类；当平均高度大于9m但不大于18m时为C类；当平均高度大于18m时为D类；3. 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离等于其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；4. 平均高度取各面域面积为权数计算。 地面粗糙度对风速的影响范围如下图所示。图5 地面粗糙度对风速的影响范围二、实际工程经验问题一：地表粗糙度受季节影响非常大，如夏季和
6、冬季的粗糙度差距非常大，因此在在实际的微观选址中只能选用年均粗糙长度，理论上可以根据季节的平均风速进行加权平均，但是实际操作仍然极其困难。如何解决？解决办法：最简单的方法是在初步设置好粗糙度后，用同一测风塔不同测风高度的平均风速相互推算，看推算值域实测值是否一致，如果不一致或者非常接近，则需要重新调整粗糙度长度的设置，直到得到满意的结果为止。所以应当把粗糙度当做气象参数来对待，不能凭感觉设置后不验证。问题二：测风塔选址时该如何注意由粗糙度引发的内部边界层问题：海岸线；草地和森林之间解决办法：内部边界层是俩种粗糙度共同作用的结果，所以注意如下：1、 较远处的粗糙度影响更大，即风机下面脚下的粗糙度
7、无关紧要，如果风电场大范围内被树林包围，粗糙度会很大，这样我们设置粗糙度要主要考虑整体的以树林为粗糙长度去设置，而不能单从考虑脚下的风速情况。2、 粗糙度突变线的距离把握，可以引申到测风塔位置的选址，尤其是海边、草原和森林之间过渡的阶段，测风塔选址一定要考虑风场整体上的粗糙度对应的植被特征场地。3、 对于风电场画粗糙度时，粗糙度的半径范围应该在10Km左右（粗糙度地图范围的直径超过轮毂高度的100倍以上），即距离最远的风机位置半径为10KM以上，这样就保证地表植被对风场每台风机对应的风速都有切实的实际影响，都能反映出来问题三：对于一些非常茂密的森林，该如何考虑粗糙度？解决办法：根据数目的紧密程度，一般通过置高度的方式来进行，一般置换高度为树木高度的二分之一到三分之二，同时也需要通过测风塔的不同高度的平均风速的相互推算来判断置换高度和粗糙度的设置是否正确。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）