【秒懂风电】风电测风塔为何会出现 “负切变”？

秒懂风电最近遇到了个“邪门”事儿，在处理一个项目测风塔的数据时，发现有些高度层有负切变； “难道不应该是高度越高，风速越大吗？”  难道在我这儿失灵了？ 一开始我怀疑是仪器坏了，或是数据出了错。但经过反复核对与排查，最终搞明白了这个事儿。 这是一种与常识相悖的现象——负切变：即随着高度增加，风速不仅未增大，反而减小。 01负切变是什么？在探讨成因前，需先明确负切变的基本概念。 风切变是指风速或风向随高度变化的现象，通常用风切变指数（α）量化： α = (lgV? - lgV?)/(lgH? - lgH?) 其中V?、V?为不同高度的风速，H?、H?为对应高度。 当α>0时，风速随高度增加而增大（正切变），这是平原地区的常见情况； 当α<0时，风速随高度增加而减小（负切变），这是复杂地形或特殊气象条件下的异常现象。 负切变的危害不容小觑。 若工程师未识别出负切变，仍按正切变规律推算轮毂高度风速，会导致 高估高层风速，进而选择过高的塔筒（增加成本）或过小的风机（降低发电量） 。02测风塔为何会出现 “负切变”？ 1、气象条件①稳定大气层结。大气层结是指大气垂直方向的温度、湿度分布状态。 稳定层结（如夜间或清晨）下，下层空气冷却快、密度大，上层空气温度高、密度小，形成 “上暖下冷”的稳定结构。 此时，上下层气流的垂直交换被强烈抑制，下层风的动量无法传递到上层，导致风速随高度增加的变化不明显，甚至因下层风受地面摩擦影响更大，出现负切变。 例如，某测风塔数据显示，夜间22:00至清晨6:00，大气层结稳定（理查森数Ri>0.2），10m高度风速为7.8m/s，50m高度风速为7.5m/s，100m高度风速为7.2m/s，α=-0.015，呈现明显负切变；而白天（Ri<0.1），大气不稳定，上下层混合增强，α升至0.12，风速随高度增加而增大。 ②逆温现象。逆温是稳定层结的极端表现，指 温度随高度增加而升高的现象 （正常情况下温度随高度增加而降低，递减率约为6.5℃/km）。 逆温层像一层“盖子”，将下层冷空气与上层暖空气隔绝，进一步抑制垂直对流。 此时，下层风的动量无法突破逆温层传递到上层，导致近地面风速大于高层风速，形成负切变。 逆温多发生在晴朗无云的夜间（地面辐射冷却强烈）或冷空气平流过暖地面（冷空气密度大，覆盖在暖空气上方）。 2、地形特征①山地地形。当气流遇到山地时，会沿山坡“爬坡”，受地形挤压而加速。 但这种加速效应仅局限于山脊附近较薄的垂直层（通常为100-200m），更高高度的气流未受地形影响，风速保持稳定或略有下降。 因此，近地面（山脊附近）风速因加速而增大，高层风速未加速，导致风速随高度增加而减小，形成负切变。 ②山脊与山坡。山脊与山坡的地形特征会进一步强化负切变。 山脊处，气流受“狭管效应”挤压，加速明显，但这种加速仅发生在山脊顶部附近； 山坡处，气流沿坡面向上流动，受摩擦力影响，风速随高度增加而缓慢增大，但增速远小于山脊处。 因此，山脊顶部附近的风速大于山坡上方的高层风速，形成负切变。 ③复杂地形的“局地环流”。 白天，山坡受太阳辐射加热，空气上升，形成“谷风”（从山谷吹向山坡）； 夜间，山坡冷却快，空气下沉，形成“山风”（从山坡吹向山谷）。 这种昼夜风向的变化，会导致不同高度的风速差异： 白天，谷风沿山坡加速，低层风速大于高层；夜间，山风沿山坡下沉，高层风速大于低层，但夜间逆温的存在会强化负切变，导致白天负切变更明显。 3、测量误差①设备故障若风速仪安装不垂直（如探头倾斜）、传感器结冰（冬季）或电路故障，会导致测量数据不准确。 ②安装问题 测风塔的风速仪需安装在规定的高度（如10m、30m、50m、100m），若安装时高度偏差（如100m高度实际为95m），会导致数据对比错误。 03怎样避免“负切变”？ 1、测风塔高度需覆盖规划风机的轮毂高度 。 例如，若规划区域拟建设轮毂高度 140m 的机组，建议测风塔高度设定为 160m，且需在 140m 轮毂高度对应位置配置测风设备。 2、合理增设测风塔数量。 尤其在复杂地形区域，不同位置的风资源特征差异显著。 建议 结合规划机位的分布情况，在风资源敏感及关键区域均布设测风塔，通过多维度数据采集，降低风资源评估的不确定性，为后续机组布局及选型提供可靠依据。 3、优先规避极端复杂地形。 应避开风机上风向、下风向及周边近距离内存在显著障碍物 的区域。 此类区域不仅可能导致风切变效应显著增强，还可能使湍流强度超出 IEC A 类标准，进而对后期风机的运行载荷及安全稳定性造成较大影响。 目前行业内尚未明确障碍物高度与风机高度、水平及垂直距离的统一规范，建议委托具备丰富工程经验的设计院及设备厂家，开展专项风险评估与全流程管控 工作。风资源评估工作全流程解析 线上学习风资源评估系统相关知识，搭配专业老师的解疑答惑，高效助力学员从理论到实践全面掌握核心技能。 0元试听课扫码免费听免责声明：本文所用的视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将立即删除，无任何商业用途！