风电场风切变指数计算方法汇总

　　风电场开发建设和风力发电的前提是风能资源评估，对风能资源的正确评估是风电场取得良好经济效益的关键。风能资源评估的主要目的是确定风电场的装机容量、风力发电机组选型及布置等。而确定风电场合适风力发电机组选型及其安装高度的一个重要依据就是风切变指数。本文汇总了风切变指数的5种不同的计算方法，供大家根据风电场的实际情况选择合适的计算方法，减小风切变指数的计算误差。
　　1.风切变指数定义
　　在近地层中，风速随高度的变化显著。造成风在近地层中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层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展，这时风速随高度变化服从普朗特经验公式：　　式中：k为von Karman常数，k=0.4;u*为摩擦速度，u*=(τ/ρ)1/2，其中τ为表面剪切应力，ρ为空气密度。
　　假设混合长度随高度变化有简单指数关系，由此推导的风切变指数律为：　　式中：un和ui分别为高度在zn和zi处的风速，α为风切变指数。
　　2.风切变指数的影响因素
　　风切变指数受大气稳定性的影响严重，在中性(neutral)、稳定(stable)与不稳定(unstable)等不同大气条件下，风廓线的变化很大。此时，需要考虑大气稳定性的影响，式(1)表示的对数律公式需要进行大气稳定性的修正，修正后的表达式为：
　　式中：φ为与大气稳定性相关的函数，不稳定条件时φ为正值，稳定条件时φ为负值，中性条件时φ为零。
　　大气稳定性可以采用Ridson数来描述，其表达式为：　　其中：g为重力加速度，一般取g=9.81m/s2;T为计算层的平均温度，K;t为在高度z处的温度;u为在高度z的风速。一般至少需要2个不同高度的温度值和风速来计算温差和风速差。大气稳定性一般可以按Ridson数分为非常稳定、稳定、中性稳定、不稳定、非常不稳定等5类。
　　风切变指数受地面粗糙度的影响，不同地区的风切变指数是不同的，受大气稳定性的影响，即使同一地区在不同时间段内的风切变指数也是不同的。