風電場開發(fā)建設和風力發(fā)電的前提是風能資源評估，對風能資源的正確評估是風電場取得良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。風能資源評估的主要目的是確定風電場的裝機容量、風力發(fā)電機組選型及布置等。而確定風電場合適風力發(fā)電機組選型及其安裝高度的一個重要依據(jù)就是風切變指數(shù)。本文匯總了風切變指數(shù)的5種不同的計算方法，供大家根據(jù)風電場的實際情況選擇合適的計算方法，減小風切變指數(shù)的計算誤差。
1.風切變指數(shù)定義
在近地層中，風速隨高度的變化顯著。造成風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，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。當大氣層結(jié)為中性時，湍流將完全依靠動力原因來發(fā)展，這時風速隨高度變化服從普朗特經(jīng)驗公式：
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為表面剪切應力，ρ為空氣密度。
假設混合長度隨高度變化有簡單指數(shù)關(guān)系，由此推導的風切變指數(shù)律為：
式中：un和ui分別為高度在zn和zi處的風速，α為風切變指數(shù)。
2.風切變指數(shù)的影響因素
風切變指數(shù)受大氣穩(wěn)定性的影響嚴重，在中性(neutral)、穩(wěn)定(stable)與不穩(wěn)定(unstable)等不同大氣條件下，風廓線的變化很大。此時，需要考慮大氣穩(wěn)定性的影響，式(1)表示的對數(shù)律公式需要進行大氣穩(wěn)定性的修正，修正后的表達式為：
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φ為正值，穩(wěn)定條件時φ為負值，中性條件時φ為零。
大氣穩(wěn)定性可以采用Ridson數(shù)來描述，其表達式為：
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φ為正值，穩(wěn)定條件時φ為負值，中性條件時φ為零。
大氣穩(wěn)定性可以采用Ridson數(shù)來描述，其表達式為：
其中：g為重力加速度，一般取g=9.81m/s2;T為計算層的平均溫度，K;t為在高度z處的溫度;u為在高度z的風速。一般至少需要2個不同高度的溫度值和風速來計算溫差和風速差。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。
風切變指數(shù)受地面粗糙度的影響，不同地區(qū)的風切變指數(shù)是不同的，受大氣穩(wěn)定性的影響，即使同一地區(qū)在不同時間段內(nèi)的風切變指數(shù)也是不同的。
