引言

目前,我國并未對低風速進行嚴格定義。但是,根據(jù)能源行業(yè)標準《低風速風力發(fā)電機組選型導則》對低風速風力發(fā)電機組的相關定義(低風速風電機組是指適用于標準空氣密度輪轂高度處代表年平均風速不高于6.5m/s、風功率密度不高于320w/m2風能資源條件下的風力發(fā)電機組）,定義低風速區(qū)為標準空氣密度輪轂高度處代表年平均風速不高于6.5m/s、風功率密度不高于320w/m2的區(qū)域。

隨著國內(nèi)風電能源的逐步開發(fā),在風能資源好、建設條件優(yōu)的地區(qū),風電開發(fā)基本達到飽和狀態(tài)。同時,風力發(fā)電機組不斷得到研發(fā)優(yōu)化,使開發(fā)低風速地區(qū)成為風電開發(fā)的下一個目標。目前,全國可利用低風速區(qū)域占比約為60%～70%,且大部分地區(qū)接近電網(wǎng)負荷的受端地區(qū)。在低風速區(qū)域,由于風能資源的限制,風電場收益情況需要謹慎計算。其中,作為影響發(fā)電量因素之一的風機位排布就需要進一步優(yōu)化。本文針對低風速平原風電場的風機位排布方案進行簡要分析。

1風機位排布基本原則

針對風力發(fā)電機組的布置,要充分考慮各方面影響因素,歸納起來主要有以下幾點:

(1）風力發(fā)電機組垂直于主導風能方向排列:

(2）充分利用風電場土地:

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

(4）綜合考慮風電場地形、地表粗糙度、障礙物等,將其影響降到最低:

(5）合理利用風電場測站訂正后的測風資料:

(6）考慮風電機組間的相互影響后,盡量縮短機組間距離,從而減少場內(nèi)道路、集電線路長度:

(7）盡量考慮應與周邊風電場風電機組相互避讓:

(8）考慮風機噪聲對附近居民的影響:

(9）考慮風機與附近高壓線、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）充分考慮風電場征地指標等其他影響因素。

在低風速平原地區(qū)風電場,考慮上述排布方案的同時,還應將低風速風電場的特點進行綜合考慮,并優(yōu)化布機方案。

2低風速平原地區(qū)特點

2.1風速低

在低風速地區(qū),風速低是其最大特點,然而風電場唯一獲取能量的方式就是葉輪捕獲風能。風速低,意味著發(fā)電量少,如何優(yōu)化風機位排布是低風速平原地區(qū)風電場面臨的一個挑戰(zhàn)。

2.2風向集中

低風速平原地區(qū)風向相對比較集中,主導風向明顯,且多為一個或相反的兩個方向。對于風電場來說,風向集中有利于風能的捕獲,同時還可以通過優(yōu)化風機在主風向與非主風向上的間距,達到容量最優(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),障礙物是機位選擇、排布以及建場的一個比較困擾的因素。例如,河北某平原風電場,規(guī)劃容量為100Mw,選用單機容量為3.0Mw的風力發(fā)電機組。

圖1為擬開發(fā)風電場相對位置,其中黑線為場區(qū)內(nèi)已建成的高壓輸電線路。同時,場區(qū)內(nèi)有若干居民區(qū),4條等級公路,1條省管禁用河道,若干墳墓等。在風機排布優(yōu)化過程中,需要根據(jù)相關法律法規(guī)、當?shù)仫L土人情等進行合理考慮,規(guī)劃避讓。

圖1擬開發(fā)風電場相對位置

2.4環(huán)境敏感因素

目前,陸上風力發(fā)電機組近幾年應用比較廣泛的葉輪直徑是140m及以上級別。同時,根據(jù)平原地區(qū)風切變偏高的特性,120～140m高的輪轂高度應用相對普遍。根據(jù)相關統(tǒng)計分析,190～210m高的風力發(fā)電機組在運行時會帶來噪聲污染,光影效應的影響很大。此外,在一定程度上還會小范圍改變生態(tài)環(huán)境,影響鳥類等生物的生存。

3風機位排布解決方案

在低風速平原地區(qū),發(fā)電量是一個風電場能否立項的關鍵因素。而更合理的風機位排布方案可以有效提高發(fā)電量,減少投資,增加收益。

針對低風速平原地區(qū)的特點,下面對風力發(fā)電機組的排布進行淺析。

3.1機型選擇

在平原地區(qū),風切變一般比較大,在0.2～0.35居多。在這種風切變下,使用大葉片、高輪轂的風力發(fā)電機組可以捕獲更多的風能,提高發(fā)電量。但是,在推薦使用此類風機時應注意風機的適應性問題。比如,在擬建風電場的風況下風機的安全性是否滿足標準:風機的噪聲污染是否會對居民區(qū)造成影響,是否滿足環(huán)評要求:還有地質(zhì)、水位等方面。

3.2風機間距

在風機位布置過程中,根據(jù)傳統(tǒng)布機方式,風機間距一般在主風向上按照葉輪直徑的5～7倍,垂直主風向上按照葉輪直徑的3～5倍考慮。但是在平原地區(qū),主導風向明顯,且多為一個或相反的兩個方向。所以在保證風機安全性的前提下,在垂直主風向上,壓縮風機間距至葉輪直徑的2～3倍,可以在基本不影響風場發(fā)電量的同時有效節(jié)約風場占地面積。

風機排布緊湊的另一個優(yōu)點是可以減少集電線路長度、場內(nèi)道路長度,進而減少建設投資,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,前期風機位布置、現(xiàn)場踏勘就變得尤為重要,更加需要精細化。在前期風機位布置中,根據(jù)地形圖、二維地圖等工具對擬開發(fā)風電場的障礙物進行初步避讓。之后的微觀選址過程,應盡可能詳細記錄現(xiàn)場風機位周邊情況,并進行避讓以及反復優(yōu)化。

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

3.4風機排布方案優(yōu)化

在進行現(xiàn)場微觀選址后,需對初步確定的風機位排布方案進行發(fā)電量計算。這也是微觀選址后風機位排布方案優(yōu)化的重要過程之一。

根據(jù)風機廠家提供的風機風場空氣密度下的動態(tài)功率曲線,對風電場發(fā)電量和尾流進行初步計算,并針對計算結(jié)果,以最小尾流效應、最大發(fā)電量為目標,對風機位排布進行合理優(yōu)化。

4結(jié)論

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

(2）根據(jù)低風速平原地區(qū)特點,應選擇大葉片直徑、高輪轂高度的風力發(fā)電機組。

(3）在低風速平原地區(qū),應合理設置風機間距,同時做好前期風機位布置、微觀選址現(xiàn)場記錄等工作,以便對風機位排布方案進行優(yōu)化。