不同风切变条件下风电场风机轮毂高度选取研究

不同风切变条件下风电场风机轮毂高度选取研究
摘要：在不同的风切变条件下，风速随高度的变化的幅度不同，提高轮毂高度
所得到的效益也会有所变化。

文章主要是以南方山地风电场为例，对不同的风切
变条件下风电机组不同轮毂高度方案的发电量及经济效益进行研究，为不同风切
变条件下风机轮毂高度的选取提供参考。

关键词：风电场；风切变；轮毂高度；经济效益
1 风切变指数定义
在近地层中，风速基本随高度变化，造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和
热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度，后者主要表现为与近地大地
垂直稳定度的关系。

当大地层结为中性时，湍流将完全依赖动力原因来发展，这时风速随高
度变化服从普朗特经验公式（1）：
风切变不同的条件下风速分布：通过对不同切变下风速进行计算，风切变越大，风速随
高度增加的幅度越大。

3 不同风切变下轮毂高度比选
1）计算机条件的假设分析
风力发电机扫风面积内的风速与高度变化之间存在正比关系，并且呈指数分布，具有一
定的规律性；风水平方向不存在切变；风速频率分布在Weibull 上，并且呈现饱满状态；空
气密度采用风电场址空气密度。

2）风机发电量计算方法
假设风电机组叶轮直径为115m，根据1m的高度划分扫风面积可分为115份，每个面积
风速假设是相同的，那么各区域内的风能：
3）不同风况及切变下风机发电量计算成果
风电场项目建设时，经济效益的影响因素有：风能资源、项目总投资、电场运行成本、
电价，通过提高风能源的利用效率，降低项目的投资成本以及整体的运行成本，可获得较好
的经济效益。

一般情况下风速随着高度的增加而增大，发电量也会在一定程度上得到提高，
但轮毂高度越高，风电场产生的电能也越多但工程整体的投资也会增加，且施工难度会增大。

因此，在风电场建设过程中，毂轮的高度应该依据实际情况选择，保证其合理性，才能达到
资源利用效果及风电场效益最大化。

本文章以南方某山地风电场为例，风电场采用单机容量为2000kW、叶轮直径为115 m 的水平轴风力发电机组（该机型标配的轮毂高度分别为85m及90m）进行风机布置，并利用
WT软件，采用标准空气密度下的风电机组功率曲线进行电量计算，对不容轮毂高度方案进
行投资估算及财务评价后得到如下成果：
通过以上分析，随着风电机组轮毂高度的增加发电量也随之增加，在同等条件下，风切
变越大电量增幅越明显。

但随着轮毂高度的增加，塔筒材料、基础，施工安装费用也会相应
增加，从而导致工程建设投资增加，项目财务内部收益率也会随之变化。

在投资相同的情况下，电量增加越多，其财务内部收益率越好，即风电场风切变越大，增加风电机组的轮毂高
度所获得的效益越大，但如风电场风切变较小，增加轮毂高度则可能会在一定程度上降低风
电场的收益。

此外，风电场的风况特性、建设条件及风机的出力特性等因素也会影响风电场
轮毂高度的选取。

4 总结
综上所述，毂轮的高度越高，风电场的发电量越高，但其投资也会逐渐增加，风电机组
轮毂高度的选取可以参照以下原则：如风电场风切变水平大于0.12，随着轮毂高度增加电量
增幅较明显，可适当增加风电场的轮毂高度；如风电场风切变水平小于0.12，随着轮毂高度
增加电量增幅不明显，则需结合风电场的风况特性及风电场的建设条件等，对风电场不同轮
毂高度方案进行经济比较后合理选择适合本风电场的轮毂高度。

参考文献：
[1]杨智奇.不同风切变条件下风电场风机轮毂高度选取分析[J].太阳能，2015，（11）：40-44，74.
[2]徐宝清，吴婷婷，李文慧等.风能风切变指数计算方法的比选研究[J].农业工程学报，2014，（16）：188-194.
[3]叶林，杨丹萍，赵永宁等.风电场风能资源评估的测量-关联-预测方法综述[J].电力系统自动化，2016，（3）：140-151..。