風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)和風(fēng)力發(fā)電的前提是風(fēng)能資源評估，對風(fēng)能資源的正確評估是風(fēng)電場取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。風(fēng)能資源評估的主要目的是確定風(fēng)電場的裝機(jī)容量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型及布置等。而確定風(fēng)電場合適風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型及其安裝高度的一個(gè)重要依據(jù)就是風(fēng)切變指數(shù)。本文匯總了風(fēng)切變指數(shù)的5種不同的計(jì)算方法，供大家根據(jù)風(fēng)電場的實(shí)際情況選擇合適的計(jì)算方法，減小風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算誤差。
1.風(fēng)切變指數(shù)定義
在近地層中，風(fēng)速隨高度的變化顯著。造成風(fēng)在近地層中垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng)，即地面的粗糙度，后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系。當(dāng)大氣層結(jié)為中性時(shí)，湍流將完全依靠動力原因來發(fā)展，這時(shí)風(fēng)速隨高度變化服從普朗特經(jīng)驗(yàn)公式：
式中：k為von Karman常數(shù)，k=0.4;u*為摩擦速度，u*=(τ/ρ)1/2，其中τ為表面剪切應(yīng)力，ρ為空氣密度。
假設(shè)混合長度隨高度變化有簡單指數(shù)關(guān)系，由此推導(dǎo)的風(fēng)切變指數(shù)律為：
式中：un和ui分別為高度在zn和zi處的風(fēng)速，α為風(fēng)切變指數(shù)。
2.風(fēng)切變指數(shù)的影響因素
風(fēng)切變指數(shù)受大氣穩(wěn)定性的影響嚴(yán)重，在中性(neutral)、穩(wěn)定(stable)與不穩(wěn)定(unstable)等不同大氣條件下，風(fēng)廓線的變化很大。此時(shí)，需要考慮大氣穩(wěn)定性的影響，式(1)表示的對數(shù)律公式需要進(jìn)行大氣穩(wěn)定性的修正，修正后的表達(dá)式為：
式中：φ為與大氣穩(wěn)定性相關(guān)的函數(shù)，不穩(wěn)定條件時(shí)φ為正值，穩(wěn)定條件時(shí)φ為負(fù)值，中性條件時(shí)φ為零。
大氣穩(wěn)定性可以采用Ridson數(shù)來描述，其表達(dá)式為：
式中：φ為與大氣穩(wěn)定性相關(guān)的函數(shù)，不穩(wěn)定條件時(shí)φ為正值，穩(wěn)定條件時(shí)φ為負(fù)值，中性條件時(shí)φ為零。
大氣穩(wěn)定性可以采用Ridson數(shù)來描述，其表達(dá)式為：
其中：g為重力加速度，一般取g=9.81m/s2;T為計(jì)算層的平均溫度，K;t為在高度z處的溫度;u為在高度z的風(fēng)速。一般至少需要2個(gè)不同高度的溫度值和風(fēng)速來計(jì)算溫差和風(fēng)速差。大氣穩(wěn)定性一般可以按Ridson數(shù)分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中性穩(wěn)定、不穩(wěn)定、非常不穩(wěn)定等5類。
風(fēng)切變指數(shù)受地面粗糙度的影響，不同地區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)是不同的，受大氣穩(wěn)定性的影響，即使同一地區(qū)在不同時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)也是不同的。
