山地風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)技術(shù)探討

李長(zhǎng)庚

摘 要：由于局部地形地貌的差異性，在山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，測(cè)風(fēng)需要考慮的因素增加很多，盲目采用原有的對(duì)海面、平原、高原風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)設(shè)備和方法是不夠的，需要因地制宜的進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：山地 風(fēng)電場(chǎng) 測(cè)風(fēng)

中圖分類號(hào)：TK81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-019-03

1 引言

隨著以石油和天然氣等一次化石燃料的日益耗盡，能源問(wèn)題是世界各國(guó)的戰(zhàn)略問(wèn)題，我國(guó)也在大力發(fā)展清潔高效無(wú)污染的風(fēng)力發(fā)電。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組微觀選址中，風(fēng)能資源狀況是個(gè)首要因素，它決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每年的發(fā)電量。風(fēng)能資源狀況除了受全球大范圍的氣候影響外，局部地形條件等因素對(duì)于風(fēng)能資源的影響不容忽視。局部地形地貌條件在一定程度上也影響了發(fā)電機(jī)組的效率、基建成本和檢修維護(hù)成本。本文針對(duì)山地地形地貌條件，探討了目前測(cè)風(fēng)技術(shù)的一些誤區(qū)，對(duì)于山地風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組微觀選址科學(xué)性。

2 九宮山地形及風(fēng)能資源特點(diǎn)

湖北省山地面積占全省面積一半多，山地丘陵較多。其中通山縣九宮山最高峰海拔1656.7米，所屬的幕阜山脈為東西走向，位于華北平原和鄱陽(yáng)湖平原之間的季風(fēng)通道上，在離地面40米高度的地方測(cè)風(fēng)，九宮山年平均風(fēng)速6.4米/秒，風(fēng)能資源比較豐厚，根據(jù)近年來(lái)的測(cè)定，風(fēng)能資源在八月、九月最為豐富。

3 測(cè)風(fēng)技術(shù)必須因地制宜

沿海、西部、北部、西北和東北風(fēng)場(chǎng)，由于這些地方風(fēng)電場(chǎng)的地形開(kāi)闊平坦，來(lái)風(fēng)風(fēng)向受地形阻礙的影響較小，風(fēng)的來(lái)向沒(méi)有受到或者較小受到地形切割作用，小范圍的氣候環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組影響不大，不容易形成混亂的風(fēng)向，因此風(fēng)的來(lái)向穩(wěn)定，而且穩(wěn)定性高，測(cè)風(fēng)的時(shí)候只需要計(jì)量風(fēng)資源的狀況和主導(dǎo)風(fēng)向。

然而在山地風(fēng)場(chǎng)建設(shè)中，測(cè)風(fēng)需要考慮的因素就增加了很多，例如：近地層上層與下層風(fēng)速的日變化和風(fēng)向出現(xiàn)差異、風(fēng)速切變系數(shù)較小且不是常數(shù)、某些高度間風(fēng)速出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象等。現(xiàn)在的風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)大多仍然采用著平原和海上風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)的技術(shù)形式，沒(méi)有進(jìn)行細(xì)化分析，盲目采用原有的對(duì)平原高原風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)設(shè)備和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要因地制宜的進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。地形條件的差異導(dǎo)致各種地形條件有著不同的風(fēng)力狀況，測(cè)風(fēng)也必須重視微觀選址中對(duì)風(fēng)力資源起影響作用的各個(gè)因素，不能一成不變的套用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。中國(guó)內(nèi)陸風(fēng)電開(kāi)發(fā)起步就是最近幾年，技術(shù)革新腳步并不快，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和風(fēng)力測(cè)量數(shù)據(jù)在形式和要求上沒(méi)有因地制宜進(jìn)行技術(shù)方面的結(jié)合。

4 九宮山風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行個(gè)例分析

通過(guò)九宮山風(fēng)電場(chǎng)這些年生產(chǎn)運(yùn)行和故障檢修的情況看來(lái)，發(fā)現(xiàn)了存在的不足和缺陷，分析得知局部地形地貌原因是造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的主要原因。九宮山風(fēng)電公司在運(yùn)行維護(hù)中，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件損壞較大的是齒輪箱。根據(jù)風(fēng)電設(shè)備公司的設(shè)計(jì)運(yùn)行年限來(lái)看，齒輪箱損壞年限并沒(méi)有到故障頻發(fā)期，但是在九宮山風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行初期已發(fā)生多起。九宮山風(fēng)電場(chǎng)總共有機(jī)組16臺(tái)，齒輪箱損壞后，全部更換下來(lái)，價(jià)值100萬(wàn)左右，損失巨大。究其原因，是因?yàn)榫植康匦蔚孛驳牟町愒斐娠L(fēng)向的局部混亂，在風(fēng)向混亂程度更大的地形上安裝的機(jī)組發(fā)生此類故障更為頻繁。分析得知，這種混亂的風(fēng)向，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生不規(guī)則的運(yùn)行，葉片左右晃動(dòng)和上下竄動(dòng)，從而造成齒輪箱中齒輪的嚙合不嚴(yán)，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性差，產(chǎn)生齒與齒之間的磕碰現(xiàn)象—打齒，運(yùn)行時(shí)間一長(zhǎng)，產(chǎn)生過(guò)多的鐵屑，出現(xiàn)卡齒現(xiàn)象，從而將齒輪箱箱體崩裂開(kāi)來(lái)，造成齒輪箱的損壞。

由此說(shuō)明在機(jī)組微觀選址測(cè)風(fēng)時(shí)如果不注意風(fēng)向的影響，在風(fēng)力資源統(tǒng)計(jì)中，套用平原地區(qū)的測(cè)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)是行不通的，必須針對(duì)特定地形地貌條件，對(duì)風(fēng)資源組成因素進(jìn)行不同側(cè)重點(diǎn)的測(cè)風(fēng)。

5 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)的數(shù)學(xué)建模和編程

5.1 技術(shù)方案及程序

假設(shè)一年中，在沒(méi)有任何混亂風(fēng)向的干擾，只有水平八個(gè)風(fēng)力方向（東、南、西、北、東南、東北、西南、西北）來(lái)風(fēng)，這些方向每個(gè)方向風(fēng)力資源狀況進(jìn)行計(jì)時(shí)時(shí)間，這個(gè)數(shù)據(jù)代水平方向每個(gè)方向的可利用風(fēng)力累加。同時(shí)加入現(xiàn)成特定因素造成的不可利用的時(shí)間，以九宮山風(fēng)電場(chǎng)為例。

（1）一年中，水平八個(gè)風(fēng)力方向，這些方向每個(gè)方向風(fēng)力資源狀況進(jìn)行計(jì)時(shí)t1（大于3米/秒，小于21米/秒），總共8個(gè)方向，將水平方向每個(gè)方向的風(fēng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累加就可以了。括號(hào)后面條件爭(zhēng)對(duì)G58風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速和最大風(fēng)速來(lái)設(shè)定的。

（2）一年中，水平方向，兩個(gè)不同方向來(lái)風(fēng)同時(shí)控制的時(shí)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一累加為t2（兩個(gè)風(fēng)向夾角大于或者等于90度，并且風(fēng)速大于3米/秒，小于21米/秒）。

（3）一年中，水平向某個(gè)方向來(lái)風(fēng)方向與垂直方向上升氣流同時(shí)來(lái)風(fēng)同時(shí)控制時(shí)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一累加為t3（兩個(gè)風(fēng)向夾角大于或者等于90度，并且風(fēng)速大于3米/秒，小于21米/秒）。

5.2 數(shù)據(jù)參數(shù)解釋

t1：對(duì)于整年風(fēng)速的狀況統(tǒng)計(jì)，這個(gè)數(shù)據(jù)描述可利用風(fēng)力的情況，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選址的一個(gè)基礎(chǔ)因素；對(duì)于高原和平原風(fēng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，t1=t，高原和平原地區(qū)地形開(kāi)闊，風(fēng)向可以只考慮水平方向，但是丘陵和山地由于地形落差，存在極其強(qiáng)烈的對(duì)流，如山谷風(fēng)、爬坡風(fēng)等，因此t1表示水平方向的主導(dǎo)來(lái)風(fēng)。

t2：由于丘陵和高山風(fēng)場(chǎng)的特殊性，地形對(duì)于風(fēng)來(lái)向阻擋和切割作用，或者是褶皺山脈兩邊小區(qū)域的環(huán)流，形成同一個(gè)地區(qū)兩種不同風(fēng)向的控制；這兩種相對(duì)來(lái)風(fēng)，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)中，風(fēng)機(jī)不停的偏航解纜。

t3：內(nèi)陸地區(qū)所處亞熱帶季風(fēng)氣候影響，冬季風(fēng)和夏季風(fēng)交替控制，和一些其他的水平風(fēng)向；這些風(fēng)向與山地丘陵地形特有的山谷風(fēng)和爬坡風(fēng)同時(shí)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。這兩種風(fēng)控制時(shí)，和t2產(chǎn)生現(xiàn)象相同，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)中，風(fēng)機(jī)不停的偏航解纜，偶爾報(bào)些振動(dòng)傳感器動(dòng)作。

t4：每年都有一段時(shí)間，水平來(lái)風(fēng)很少，溫度高，形成一種空氣流動(dòng)的相對(duì)靜態(tài)，但是由于晝夜溫差大的原因，形成強(qiáng)對(duì)流，如山谷風(fēng)、爬坡風(fēng)等，這個(gè)時(shí)候白天風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力很少，傍晚和夜間風(fēng)機(jī)發(fā)電效果很好，形成特有的地理環(huán)境的風(fēng)況，這個(gè)風(fēng)況對(duì)于風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行起來(lái)，不會(huì)出現(xiàn)偏航等故障，但是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，風(fēng)機(jī)會(huì)不停上下竄動(dòng)，造成磕碰和磨損嚴(yán)重，從而損壞軸承、齒輪箱等傳動(dòng)部分的發(fā)電機(jī)部件。

在九宮山風(fēng)電公司的實(shí)際應(yīng)用中，采用這個(gè)基本的數(shù)學(xué)建模方案，因地制宜地進(jìn)行風(fēng)力資源測(cè)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程處理測(cè)量的數(shù)據(jù)，得出一個(gè)風(fēng)機(jī)微觀選址風(fēng)況的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)值，以其為基礎(chǔ)合理進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)微觀選址，在該公司后來(lái)的運(yùn)行中較好地避免了先前的齒輪箱故障頻發(fā)事件，同時(shí)一定程度上提高了發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

九宮山風(fēng)場(chǎng)做為中國(guó)內(nèi)陸第一風(fēng)電場(chǎng)，真正建設(shè)開(kāi)始于2007年，所以中國(guó)內(nèi)陸風(fēng)電發(fā)展起步相對(duì)來(lái)說(shuō)比較晚。

內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)電發(fā)展起步較晚，九宮山風(fēng)電場(chǎng)建成，標(biāo)志中國(guó)內(nèi)陸第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的建成，為中國(guó)內(nèi)陸風(fēng)場(chǎng)起了標(biāo)桿性的作用，由于九宮山風(fēng)電場(chǎng)的帶動(dòng)性作用，掀起了中國(guó)內(nèi)陸建風(fēng)電場(chǎng)的熱潮。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于不同地理形態(tài)有著不同的要求，雖然剛剛起步的內(nèi)陸風(fēng)場(chǎng)發(fā)展走些彎路很正常，但是長(zhǎng)時(shí)間不予以糾正是對(duì)資源和設(shè)備的極大浪費(fèi)，也證明內(nèi)陸風(fēng)場(chǎng)在技術(shù)上必須進(jìn)行有效的自我探索。作為一名從事風(fēng)電的工作人員，不僅要了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工作和風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)，還應(yīng)該對(duì)各項(xiàng)工作不斷進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)其中不足，這對(duì)于風(fēng)電公司后期的工作起指導(dǎo)作用，也為其它的內(nèi)陸風(fēng)場(chǎng)建設(shè)提供借鑒意義，彌補(bǔ)內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中的盲區(qū)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高山風(fēng)場(chǎng)中的發(fā)電效率，減少其因建設(shè)選址造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損壞，降低運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)風(fēng)電事業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金建范.關(guān)于湖北省風(fēng)力發(fā)電開(kāi)發(fā)的探討[J].湖北電力，2000，24（2）：44-45.

[2] 黎發(fā)貴，巫卿.淺談風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)[J].水力發(fā)電，2008，34（7）：82-85.

[3] 楊宏青，劉敏，馮光柳，等.湖北省風(fēng)能資源評(píng)估[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（6）：683-686.

[4] 洪祖蘭，張?jiān)平?山區(qū)風(fēng)資源特點(diǎn)和對(duì)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的建議[J].云南水力發(fā)電，2008，24（3）：9-13.