现场观察大型陆地上风电场对近地表温度，湍流强度 和风速剖面的影响外文翻译资料

 2022-12-20 09:12

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现场观察大型陆地上风电场对近地表温度，湍流强度

和风速剖面的影响

CraigMSmith1，RJBarthelmie，SCPryor

2013年7月16日出版2013年IOP出版有限公司环境研究快报，第8卷，第3期

摘要

对美国中西部的单个风力涡轮机和多兆瓦风能设备的尾流进行的观测表明，涡轮机的直线下游地区（距离为190米，或2.4转子直径（D）），对整个转子扫过区域的风速和湍流强度有明显的影响。但是，在2.1千米的顺风距离（最近风力涡轮机下游的26D），整个风电场的尾流并不明显。尤其是在白天，轮毂高度的风速或TI的增加没有显著降低。因此，在高湍流状态下，即使是非常大的风力装置也可能仅对下游流场产生微弱影响。在顺风距离大于2km的白天垂直潜在温度梯度中没有观察到任何影响，但在夜间，风电场的存在确实显著降低了潜在温度的垂直梯度（尽管剖面保持稳定分层），主要是通过增加了2m的温度。

  1. 简介

与历史上持续使用风力螺旋桨防止葡萄园结冰一致，通过增强高空温暖空气的垂直交换（如Crawford1965），降低风速，增强风力涡轮机的湍流（即风力涡轮机尾流）（如Barthelmie等，2010），修改行星边界层和陆气动量的通量，显热和潜热。如果风电场位于农业区域（如通过改变水的可用性），这些变化可能对作物产量产生影响，并可能改变下游的大气性质。

风力涡轮机被参数化为动量汇和湍流动能源（BaidyaRoy2011）的理想化中尺度模型和理想化无限风电场的大涡旋分辨模拟（LES）（Lu和Porteacute;-Agel2011，Calafetal2011）已被用于量化风力涡轮机对多兆瓦风力涡轮机装置内和下游大气性质的影响。这些研究的结果在某种程度上是不一致的；而一些模型组已经发现“对近地表气温和湿度以及表面敏感和潜热通量的统计显著影响”（BaidyaRoy2011）），Lu和Porteacute;-Agel（2011）提出的高（120米）涡轮机无限风电场的模拟显示对地表温度没有显著影响。如补充材料中所讨论的，用于评估这些和其他模型模拟的现场观测数据集相对较少。在本文中，我们提供了位于平坦均匀地形的大型陆地上风电场的数据，用均匀的土地使用和分析来量化这一发展对近地表剖面的风速，湍流强度和温度的影响。

图1. 风电场的概况，包括东北和西南方向的近距离观测，无尾流(#1，黑色)，西南风电场尾流(#2，红色)，西南直接尾流(#3，蓝色)，东北风电场尾流(#4，绿色)和东北直接尾流(#5，紫红色)的风向区域。2012年4月4日至2012年5月20日期间，在五个方向扇区观测到的流量大于4 m/s的频率分别为6.9%、16.6%、7.9%、14.2%和1.8%.

2.数据和方法

2.1观测数据

本文分析的数据收集于2012年4月4日至5月20日期间的中西部一个大型风电场。该阵列包括约300个轮毂高度为80米的1.5兆瓦的风力涡轮机。保密协议禁止讨论一些细节，但装置的整体形状大致为矩形，布局是，东西方向风力涡轮机间距约为5转子直径（D）（D=80米，间距范围为3.8-5.5D），南北方向涡轮间距约为20D（范围18-22D）（图1））。在位于风电场西南（西南）和东北（东北）角落的两个80米桅杆上或附近收集气象数据，桅杆与大豆和玉米作物（田地活动期间高度为5-25cm）放置在一起。整个风电场也存在广泛分散的房屋和杨树，但没有一个位于我们的测量地点附近。在整个活动期间，靠近两个气象桅杆的土壤和作物情况相对相似。在每个气象桅杆的不同面上放置一样的风速计，允许识别和减少桅杆阴影效应（其中塔的上部结构传感器的处于扰乱流场的上风处），通过有情况地对数据进行采样以从塔的逆风传感器选择测量值。来自两个垂直指向的连续波ZephIR激光雷达和一个Galion扫描脉冲激光雷达的附加数据将于5月7日至20日公布。如下面进一步讨论的，使用这些激光雷达估计的风速与来自杯式风速计（Pentilde;a等人2009）和声波风速计（Sathe等2011）的数据高度一致。此外，已经显示扫描激光雷达能够捕获-5/3柯尔莫果洛夫光谱（Iungo等，2013）。然而，ZephIR激光雷达在扫描体积上测量的湍流强度（TI）（和动量通量，例如，Mann等2010）的估计值相对于点测量值减弱，衰减程度随平均风速（Pentilde;a等2009），高度（扫描量）和稳定性（Sathe等2011）而变化。出于本文目的，在75-80米之间进行的所有风速和风向测量作为80米的标称高度（即涡轮轮毂高度）。除非另有说明，所有引证时间均为当地标准时间（LST），日期格式为月/日/年，数据整合期为10分钟，所有数据均经过情况性抽样，用以选择风电场运行期间并且产生了功率（即自由流轮毂高度风速gt;4m/s）的数据。在运行的风电场中，包括此次研究的风电场，通常只有一小部分风力发电机不能运行，例如电网运营商的维护问题或削减事件。但是，在此显示的数据阶段中，最接近气象桅杆的涡轮机是全面运作的。

风力涡轮机尾流的特征，例如TI增量的增加，是由于依赖于风力涡轮机推力系数导致的入射风速的非线性函数。对于进入风速（当风力涡轮机开始转弯时）和额定风速（当功率输出不再是风速的函数）之间的风速，通常最大化尾流引起的TI（Barthelmie等人2012）。这里给出的数据的中值自由流风速是7.5m/s，这与该风电场的涡轮机的最高推力系数有关，因此测量时段的特征在于高频率的情况，在此期间将产生尾流并且将观察到最大的相对速度不足。因此，在较高风速状态下，本文提供的结果可能略微高估了相对风电场下游的影响。

2.2不同的无尾流、尾流附近和风电场尾流的情况

通过使用最近的风力涡轮机（靠近尾流）直接尾流和代表自由流状况（无尾流）的流型，风电场几何结构用于识别与整个风电场（风电场尾流）流出相关的风向扇区。最靠近西南桅杆的涡轮机位于西北（299°）2.4D（193m），东北（62°）2.4D（189m），东（6.8°）6.8D）（图一）。因此，对于西南位置，直接尾流（图1中所示的扇区3）的特征在于以涡轮机1和2为中心的流型（其中假设每个扇区具有约15°半宽，用于进一步评估风向扇区，见图S1（可在satcks.iop.org/ERL/8/034006/mmedia获得））。对于352°和035°之间的风向，西南位置通过位于26D（2.1km）之外的最近的涡轮机（下一排位于44-48D（约3.8km））产生的流经大部分风电场的流场被激活。因此，来自这些方向的流场被用于描述整个风电场尾流（西南风电场尾流，第2区）。在西南和东北气象桅杆上，318°至350°的风向完全未被尾流影响，因此用于定义“无尾流”（即扇区1）的情况。对于东北位置，有在约255°的一带涡轮机（最近的涡轮机在2.4D处）。该方向代表东北直接尾流扇区的中心线（＃5）。东北桅杆以南最近的一排没有涡轮机一直延伸到风电场东部边界，最近的风力涡轮机位于218°，距离33D（2.7千米）。因此，190°到240°的扇区用来定义东北位置（扇区4）的风电场尾流。对于西南风电场尾流和直接尾流的区域，东北位置完全无尾流，对于东北风电场尾流和直接尾流的区域，西南位置完全无尾流。因此，在每种情况下（2-5），可以使用一个气象桅杆的位置来提供“自由流”（即无尾流）的情况，而另一个桅杆可以用于表征单个涡轮机或者整个风电场的情况。为了避免自由流风速在接近进入风速，时风力涡轮机的下游边缘没有运行的情况，我们仅提供西北和东南气象桅杆的轮毂高度风速超过4m/s时的数据。这些标准确保了西南气象桅杆附近的风力涡轮机（＃1和＃2，见图1）正在运行，并且在此研究的尾流情况下产生的功率gt;99％，我们通过检查来自这些双涡轮机中的每一个机器（未展示）的发电量来验证。2012年4月4日至2012年5月20日，在五个方向的扇区中观察到流速大于4m/s的频率（1：两个桅杆无尾流，2：西南的风电场尾流，3：西南的直接尾流，4：东北的风电场尾流，5：东北的直接尾流），分别为6.9%，16.6%，7.9%，14.2%和1.8％。

3.结果

3.1．近尾流，风电场尾流和无尾流区域的平均情况

低水平风切变（alpha;）使用如下公式表征：

(1)

其中u是风速，z是高度，下标1和2分别表示40米和80米的测量值。在无尾流的风向上，平均切变指数在白天（LST11：00-17：00，以下称为白天）西南为0.05，夜间（00：00-06：00LST，以下称为夜间）为0.36，在东北桅杆上白天alpha;=0.05，晚上0.33（表1）。因此两者都与白天的低切变（高湍流状态）和夜间的高切变一致。所有无尾流数据的平均切变指数在西南和东北位置分别为0.13和0.13，这与风力涡轮机设计标准（IEC标准61400-3）中的0.14一致，但比在低粗糙度状态下从印第安纳州高塔50米和90米的测量结果计算出的0.23（Elliott等人2008）要低。

在近尾流风向（即西南桅杆上的扇区3和东北桅杆上的扇区5）中，负切变（降低40到80米之间的风速）（表1和图S1可在stacks.iop.org /ERL/8/034006/mmedia获得）明显可见与轮毂高度最大速度不一致（Politis等2012）。也与详细的风力涡轮机尾流研究一致，这些研究表明在高湍流状态下风力涡轮机尾流的恢复相对较快（Barthelmie等2012），风电场尾流区域的切变指数仅略低于无尾流区域的切变指数（无尾流和风电场尾流区域的白天中位数值为；西南为0.05到0.07，东北为0.05到0.07，见表1）。40m的风速为6.0m/s，由于风电场尾流引起的切变指数从0.05变化到0.07，相当于轮毂高度风速lt;0.1m/s时的绝对变化，接近对于杯式风速计测量的风速的不确定度，接近检测极限。因此推论，几乎检测不到在40米到80米之间整个风电场尾流的风速切变。

表1. 每个风扇区的白天中值(11:00-17:00 LST)和夜间(00:00-06:00 LST)湍流强度(TI)(%),剪切指数(alpha;)(无单位),以及潜在垂直温度梯度(1theta;/ 1 z) (◦C/m) (见图1).

图2. 是(a) 不同轮毂高度的风速(西南-东北), (b)轮毂高度TI (西南-东北)差异和(c)仅西南位置的潜在温度梯度,平均每两个小时一个均值的集合作为一天(LST) 的无尾流(#1、黑色)西南风电场尾流(#2,红色),西南直接尾流(#3,蓝色),东北风电场尾流(#4,绿色)和东北直接尾流 (# 5,红色)的风向区的表征。误差条表示距离均值的标准差。(c)中还绘制了西南风电场尾流(#2，黄色)和西南直接尾流(#3，青色)方向扇区的u lt; 3 m/s的情况.

气象桅杆上的杯式风速计（即所有扇区的西南值减东北值）的数据表明，无尾流方向（扇区1）的平均风速几乎相同（图2（a））。根据95％置信水平的Wilcoxon秩和检验，在白天或夜晚都不存在水平速度梯度。这与平坦的地形和均匀的土地利用一致，并且验证使用该位置来评估整个风电场尾流对近地表层的影响。西南有直接尾流但在东北无尾流（扇区3 ）的相关风向，西南桅杆的风速在一天中的所有时段（尤其是在夜间）显着降低（根据Wilcoxon秩和检验）。由于垂直动量传递导致的尾流恢复最大化，在午后差异最小，可能是由于不稳定的条件和有效的垂直混合。当东北桅杆有直接尾流且西南位置无尾流时（扇区#5），在包含超过8个数据点的双小时箱中，也有相似的情形（东北桅杆测量的风速低于西南）。当情况稳定、低环境TI倾向于限制尾流恢复时，与整个风电场尾流情况相关的扇区（扇区2和扇区4），白天轮毂高度风速的水平差异相当小，但在夜间，扇区4平均风速差至少为1.0m/s，（Schepers等2012，Barthelmie等2012）。直接尾流扇区的水平风速差异与之前的风洞研究（Zhangetal 2013）和现场数据（Magnusson和Smedman 1994，Iungo等2013）一致。图2（a）所示风力涡轮机轮毂高度的水平风速差也定性地佐证了简化帕克模型的预测（Katic等 1986），其描写了尾流阻碍Delta;uwd（即轮毂高度处的自由流速度uhub，和给定下游距离处的尾流速度之间的差值）；

（2）

其中CT是推力系数，k是经验确定的线性膨胀系数（此处k=0.07），x/D是涡轮机下游的转子标准化距离，在扇区2和扇区3中分别等于26和2.4。根据uhub=6m/s且CT=0.75，从（2）计算出的顺风距离轮毂高度单个涡轮机的尾流减少分别为0.14m/s和1.7m/s，分别等于扇区2和扇区3的尾流减少（参考值如图2所示）。这意味着从扇区3中的这些测量得到的平均轮毂高度速度减少（其中来自东北桅杆的风速表示自由流，西南桅杆的风速用于表征尾流深度）受到最近的风力涡轮机的影响，并显示了整个风电场的一些额外影响。这与海上风电场的分析结果一致，这些分析表明，轮毂高度的尾流速度减少主要受最近涡轮机的影响（Barthelmie等 2009）。

TI定义为( 10分钟)采样间隔期间水平风速的标准偏差(sigma;)与平均值( u )的比值。

. （3）

以前的调查（Yahaya和Frangi 2004）已经表明，因惯性杯式风速计相对声波风速计低风速时，以及因超速而风速较高时，杯式风速计的TI会出现偏差。用杯式风速计或声波风速计估计和使用Z

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