引言

目前,我國(guó)并未對(duì)低風(fēng)速進(jìn)行嚴(yán)格定義。但是,根據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型導(dǎo)則》對(duì)低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)定義(低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組是指適用于標(biāo)準(zhǔn)空氣密度輪轂高度處代表年平均風(fēng)速不高于6.5m/s、風(fēng)功率密度不高于320w/m2風(fēng)能資源條件下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組）,定義低風(fēng)速區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度輪轂高度處代表年平均風(fēng)速不高于6.5m/s、風(fēng)功率密度不高于320w/m2的區(qū)域。

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電能源的逐步開(kāi)發(fā),在風(fēng)能資源好、建設(shè)條件優(yōu)的地區(qū),風(fēng)電開(kāi)發(fā)基本達(dá)到飽和狀態(tài)。同時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷得到研發(fā)優(yōu)化,使開(kāi)發(fā)低風(fēng)速地區(qū)成為風(fēng)電開(kāi)發(fā)的下一個(gè)目標(biāo)。目前,全國(guó)可利用低風(fēng)速區(qū)域占比約為60%～70%,且大部分地區(qū)接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)。在低風(fēng)速區(qū)域,由于風(fēng)能資源的限制,風(fēng)電場(chǎng)收益情況需要謹(jǐn)慎計(jì)算。其中,作為影響發(fā)電量因素之一的風(fēng)機(jī)位排布就需要進(jìn)一步優(yōu)化。本文針對(duì)低風(fēng)速平原風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)位排布方案進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1風(fēng)機(jī)位排布基本原則

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的布置,要充分考慮各方面影響因素,歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn):

(1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組垂直于主導(dǎo)風(fēng)能方向排列:

(2）充分利用風(fēng)電場(chǎng)土地:

(3）盡量減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間的相互影響,滿足風(fēng)電機(jī)組間行距、列距要求:

(4）綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)地形、地表粗糙度、障礙物等,將其影響降到最低:

(5）合理利用風(fēng)電場(chǎng)測(cè)站訂正后的測(cè)風(fēng)資料:

(6）考慮風(fēng)電機(jī)組間的相互影響后,盡量縮短機(jī)組間距離,從而減少場(chǎng)內(nèi)道路、集電線路長(zhǎng)度:

(7）盡量考慮應(yīng)與周邊風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組相互避讓:

(8）考慮風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)附近居民的影響:

(9）考慮風(fēng)機(jī)與附近高壓線、工廠、公路、鐵路、墳地等保持一定的安全距離:

(10）盡量利用現(xiàn)有道路:

(11）充分考慮風(fēng)電場(chǎng)征地指標(biāo)等其他影響因素。

在低風(fēng)速平原地區(qū)風(fēng)電場(chǎng),考慮上述排布方案的同時(shí),還應(yīng)將低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮,并優(yōu)化布機(jī)方案。

2低風(fēng)速平原地區(qū)特點(diǎn)

2.1風(fēng)速低

在低風(fēng)速地區(qū),風(fēng)速低是其最大特點(diǎn),然而風(fēng)電場(chǎng)唯一獲取能量的方式就是葉輪捕獲風(fēng)能。風(fēng)速低,意味著發(fā)電量少,如何優(yōu)化風(fēng)機(jī)位排布是低風(fēng)速平原地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

2.2風(fēng)向集中

低風(fēng)速平原地區(qū)風(fēng)向相對(duì)比較集中,主導(dǎo)風(fēng)向明顯,且多為一個(gè)或相反的兩個(gè)方向。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō),風(fēng)向集中有利于風(fēng)能的捕獲,同時(shí)還可以通過(guò)優(yōu)化風(fēng)機(jī)在主風(fēng)向與非主風(fēng)向上的間距,達(dá)到容量最優(yōu)、發(fā)電量最佳的目的,以獲得更高的收益。

2.3障礙物多

在平原地區(qū),障礙物是機(jī)位選擇、排布以及建場(chǎng)的一個(gè)比較困擾的因素。例如,河北某平原風(fēng)電場(chǎng),規(guī)劃容量為100Mw,選用單機(jī)容量為3.0Mw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

圖1為擬開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)位置,其中黑線為場(chǎng)區(qū)內(nèi)已建成的高壓輸電線路。同時(shí),場(chǎng)區(qū)內(nèi)有若干居民區(qū),4條等級(jí)公路,1條省管禁用河道,若干墳?zāi)沟取Ｔ陲L(fēng)機(jī)排布優(yōu)化過(guò)程中,需要根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、當(dāng)?shù)仫L(fēng)土人情等進(jìn)行合理考慮,規(guī)劃避讓。

圖1擬開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)位置

2.4環(huán)境敏感因素

目前,陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組近幾年應(yīng)用比較廣泛的葉輪直徑是140m及以上級(jí)別。同時(shí),根據(jù)平原地區(qū)風(fēng)切變偏高的特性,120～140m高的輪轂高度應(yīng)用相對(duì)普遍。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析,190～210m高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)會(huì)帶來(lái)噪聲污染,光影效應(yīng)的影響很大。此外,在一定程度上還會(huì)小范圍改變生態(tài)環(huán)境,影響鳥類等生物的生存。

3風(fēng)機(jī)位排布解決方案

在低風(fēng)速平原地區(qū),發(fā)電量是一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)能否立項(xiàng)的關(guān)鍵因素。而更合理的風(fēng)機(jī)位排布方案可以有效提高發(fā)電量,減少投資,增加收益。

針對(duì)低風(fēng)速平原地區(qū)的特點(diǎn),下面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的排布進(jìn)行淺析。

3.1機(jī)型選擇

在平原地區(qū),風(fēng)切變一般比較大,在0.2～0.35居多。在這種風(fēng)切變下,使用大葉片、高輪轂的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以捕獲更多的風(fēng)能,提高發(fā)電量。但是,在推薦使用此類風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意風(fēng)機(jī)的適應(yīng)性問(wèn)題。比如,在擬建風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況下風(fēng)機(jī)的安全性是否滿足標(biāo)準(zhǔn):風(fēng)機(jī)的噪聲污染是否會(huì)對(duì)居民區(qū)造成影響,是否滿足環(huán)評(píng)要求:還有地質(zhì)、水位等方面。

3.2風(fēng)機(jī)間距

在風(fēng)機(jī)位布置過(guò)程中,根據(jù)傳統(tǒng)布機(jī)方式,風(fēng)機(jī)間距一般在主風(fēng)向上按照葉輪直徑的5～7倍,垂直主風(fēng)向上按照葉輪直徑的3～5倍考慮。但是在平原地區(qū),主導(dǎo)風(fēng)向明顯,且多為一個(gè)或相反的兩個(gè)方向。所以在保證風(fēng)機(jī)安全性的前提下,在垂直主風(fēng)向上,壓縮風(fēng)機(jī)間距至葉輪直徑的2～3倍,可以在基本不影響風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量的同時(shí)有效節(jié)約風(fēng)場(chǎng)占地面積。

風(fēng)機(jī)排布緊湊的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減少集電線路長(zhǎng)度、場(chǎng)內(nèi)道路長(zhǎng)度,進(jìn)而減少建設(shè)投資,獲得更好的收益。

3.3微觀選址

根據(jù)平原地區(qū)障礙物多的特點(diǎn),前期風(fēng)機(jī)位布置、現(xiàn)場(chǎng)踏勘就變得尤為重要,更加需要精細(xì)化。在前期風(fēng)機(jī)位布置中,根據(jù)地形圖、二維地圖等工具對(duì)擬開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)的障礙物進(jìn)行初步避讓。之后的微觀選址過(guò)程,應(yīng)盡可能詳細(xì)記錄現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)位周邊情況,并進(jìn)行避讓以及反復(fù)優(yōu)化。

微觀選址過(guò)程中,在考慮現(xiàn)場(chǎng)障礙物的同時(shí),還要注意土地屬性、林業(yè)、生態(tài)等相關(guān)方面的避讓。

3.4風(fēng)機(jī)排布方案優(yōu)化

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)微觀選址后,需對(duì)初步確定的風(fēng)機(jī)位排布方案進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。這也是微觀選址后風(fēng)機(jī)位排布方案優(yōu)化的重要過(guò)程之一。

根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)空氣密度下的動(dòng)態(tài)功率曲線,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量和尾流進(jìn)行初步計(jì)算,并針對(duì)計(jì)算結(jié)果,以最小尾流效應(yīng)、最大發(fā)電量為目標(biāo),對(duì)風(fēng)機(jī)位排布進(jìn)行合理優(yōu)化。

4結(jié)論

(1）低風(fēng)速平原地區(qū)具有風(fēng)速低、風(fēng)向集中、障礙物多、敏感因素多等特點(diǎn)。

(2）根據(jù)低風(fēng)速平原地區(qū)特點(diǎn),應(yīng)選擇大葉片直徑、高輪轂高度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

(3）在低風(fēng)速平原地區(qū),應(yīng)合理設(shè)置風(fēng)機(jī)間距,同時(shí)做好前期風(fēng)機(jī)位布置、微觀選址現(xiàn)場(chǎng)記錄等工作,以便對(duì)風(fēng)機(jī)位排布方案進(jìn)行優(yōu)化。