江西省高山風(fēng)電場選址方法

涂波，孫志忠，周孟，鄧院昌

(1.江西大唐國際新能源有限公司，南昌市330038;2.中山大學(xué)，廣州市510275)

0 引言

在化石資源日趨匱乏，全球環(huán)境問題日益突出的今天，風(fēng)能，作為一種清潔、可再生能源，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。

根據(jù)江西省氣象科學(xué)研究院對(duì)江西省風(fēng)能資源儲(chǔ)量及分布的相關(guān)研究［1］，表明受地形影響，省內(nèi)風(fēng)能資源較好區(qū)域主要分布在鄱陽湖沿岸和高山地區(qū)。鄱陽湖沿岸形成了沿“狹管”兩側(cè)線狀分布的風(fēng)資源豐富區(qū)域，高山地區(qū)形成了沿山脈走向線狀式分布或孤立山峰點(diǎn)狀式分布的風(fēng)資源豐富區(qū)域。省氣象科學(xué)研究所采用長期氣象臺(tái)(站)資料及短期點(diǎn)位測風(fēng)資料，并結(jié)合氣候調(diào)研結(jié)果綜合評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，江西省山地風(fēng)能資源具有較好的開發(fā)潛力，其裝機(jī)容量約為100萬kW以上。2012年以前，省內(nèi)風(fēng)電開發(fā)集中于鄱陽湖沿岸，隨著2012年首批高山風(fēng)電項(xiàng)目獲江西省發(fā)改委核準(zhǔn)，風(fēng)電開發(fā)拉開了由“下湖”走向“上山”的序幕，這意味著高山風(fēng)電將成為未來江西風(fēng)電發(fā)展的主力軍。

目前國內(nèi)外風(fēng)電場選址相關(guān)研究成果及已建風(fēng)電場的選址經(jīng)驗(yàn)表明［2-7］，影響風(fēng)電場選址的因素較多，如風(fēng)能資源、交通運(yùn)輸、地形特征、地質(zhì)特征、電網(wǎng)接入以及氣象災(zāi)害等，其中部分因素只能定性描述，綜合分析較為困難。同時(shí)，與平原、海上等處的風(fēng)電場相比，高山風(fēng)電場又具有其自身特性。我國目前已建風(fēng)電場工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，風(fēng)電場選址的優(yōu)劣將對(duì)風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益乃至社會(huì)效益產(chǎn)生巨大影響，因此，風(fēng)電場如何在高山地區(qū)選址，是高山風(fēng)電項(xiàng)目前期工作需要考慮的重要問題。本文基于一套高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究適用于高山風(fēng)電場選址的方法。

1 高山風(fēng)電場評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

通過對(duì)江西省多地風(fēng)電場現(xiàn)場踏勘及相關(guān)資料的查閱，本文初步確定影響高山風(fēng)電場選址的相關(guān)因素，對(duì)各因素進(jìn)行系統(tǒng)分析后，從中選出影響較大的因素，作為高山風(fēng)電場選址的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for site selection of wind farm on high mountains

高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含特殊性和一般性2類評(píng)價(jià)指標(biāo)，特殊性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:自然保護(hù)區(qū)、軍事禁區(qū)、文物古跡、礦產(chǎn)壓覆和氣象災(zāi)害。按照國家對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目核準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，上述5類問題禁止出現(xiàn)在風(fēng)電場所在區(qū)域內(nèi)，上述指標(biāo)為風(fēng)電項(xiàng)目能否開發(fā)的顛震性指標(biāo)，因此，特殊性評(píng)價(jià)指標(biāo)決定風(fēng)電場選址的可行性。一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:風(fēng)能資源狀況、裝機(jī)規(guī)模、地形條件、地質(zhì)條件、土地利用狀況、進(jìn)場道路條件以及電網(wǎng)接入條件，此類指標(biāo)隨風(fēng)電場選址不同而存在較大差異，因此，一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)決定風(fēng)電場選址的優(yōu)劣性。

對(duì)于特殊性評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)信息，可咨詢風(fēng)電場所屬縣(市)相關(guān)部門。其中，高山地區(qū)可能出現(xiàn)的氣象災(zāi)害主要包括雷暴和重度覆冰，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，極有可能造成風(fēng)機(jī)零部件損壞，影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至可能危及人身安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止至2011年底江西省自然保護(hù)區(qū)數(shù)量為195個(gè)，其中以森林生態(tài)系統(tǒng)為保護(hù)對(duì)象的有147個(gè)［8］。江西礦產(chǎn)資源也極為豐富，目前全國已知的150多種礦產(chǎn)中，江西就有140多種，有色金屬、貴重金屬、稀土金屬3類礦產(chǎn)每km2可開發(fā)的潛在價(jià)值居全國第1位，這些礦產(chǎn)資源大部分分布于高山地區(qū)［9］。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中風(fēng)能資源狀況的評(píng)價(jià)，可按《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法》中的相關(guān)規(guī)定［10］，以風(fēng)電場年平均風(fēng)功率密度作為主要依據(jù)，這一指標(biāo)可綜合反映風(fēng)電場風(fēng)速、風(fēng)速分布以及空氣密度。一般情況下，年平均風(fēng)功率密度在2級(jí)以上的風(fēng)電場可開發(fā)利用。根據(jù)目前省內(nèi)擬建高山風(fēng)電場的風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果，大多數(shù)風(fēng)電場年平均風(fēng)功率密度等級(jí)為2級(jí)。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中裝機(jī)規(guī)模的評(píng)價(jià)，由于省內(nèi)高山地區(qū)適于建設(shè)風(fēng)電場的區(qū)域，主要分布在迎風(fēng)向的連續(xù)山脊及開闊的高山臺(tái)地，因此，當(dāng)風(fēng)電場選址在迎風(fēng)向的連續(xù)山脊時(shí)，風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模主要與山脊長度有關(guān);當(dāng)風(fēng)電場選址在開闊的高山臺(tái)地時(shí)，風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模主要與高山臺(tái)地面積有關(guān)。通常山脊越長或是臺(tái)地面積越大，風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模越大，單位kW裝機(jī)分?jǐn)偟呐涮坠こ倘绲缆饭こ?、升壓站工程等費(fèi)用越低，風(fēng)電場規(guī)模效益就越好。根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)布置的指導(dǎo)原則［11］，考慮風(fēng)機(jī)間相互作用和尾流的影響，盛行風(fēng)向上的2臺(tái)風(fēng)機(jī)排布間距為5～9倍風(fēng)輪直徑;垂直于盛行風(fēng)向上的2臺(tái)風(fēng)機(jī)排布間距為3～5倍風(fēng)輪直徑。例如，當(dāng)風(fēng)電場選址在迎風(fēng)向的連續(xù)山脊時(shí)，假定安裝機(jī)型的單機(jī)容量為1 500 kW，則風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)?？砂?0 km山脊約50 MW進(jìn)行估算。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中地形條件的評(píng)價(jià)，主要從風(fēng)電場范圍內(nèi)山體平均起伏度和平均坡度2個(gè)方面考慮，平均起伏度和平均坡度越大，則地形條件對(duì)風(fēng)電場的建設(shè)越不利。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)［12］，目前我國絕大部分風(fēng)電場平均起伏度小于300 m，平均坡度小于10°;大部分風(fēng)電場平均起伏度在200 m以內(nèi)，平均坡度在5°以內(nèi);并且在通常情況下，高山風(fēng)電場的平均起伏度和平均坡度大于平原、海上等處的風(fēng)電場。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)，主要考慮風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況及地基土的承載能力等。通常地層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的巖土區(qū)域較適宜建風(fēng)電場，而地層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的軟土區(qū)域，場區(qū)內(nèi)有大面積滑坡、泥石流、地面塌陷等現(xiàn)象出現(xiàn)的區(qū)域，則不推薦建設(shè)風(fēng)電場。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中土地利用狀況的評(píng)價(jià)，可依據(jù)我國《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)［13］，將土地分為12個(gè)一級(jí)類型，在高山地區(qū)建設(shè)風(fēng)電場主要涉及其中的4種類型土地，分別是:草地、林地、園地和耕地。其中草地最適宜建風(fēng)電場，林地和園地較為適宜，而耕地則不推薦建風(fēng)電場。

對(duì)于一般性指標(biāo)中進(jìn)場道路條件的評(píng)價(jià)，可從修路長度和修路難易程度2個(gè)方面考慮。例如，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸對(duì)道路最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求，MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組道路運(yùn)輸?shù)淖畹凸返燃?jí)為三級(jí)［14］，對(duì)不滿足等級(jí)要求的公路，要進(jìn)行修繕或整改。另外，與平原地區(qū)風(fēng)電場相比，通常情況下高山風(fēng)電場修路難度要大得多。

對(duì)于一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)中電網(wǎng)接入條件的評(píng)價(jià)，主要從風(fēng)電場接入電網(wǎng)的距離方面考慮。風(fēng)電并網(wǎng)是風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)銷售收入的必要條件，風(fēng)電場接入電網(wǎng)的距離較近，不但可以降低并網(wǎng)投資，還可以減少線路損耗。各級(jí)電壓線路的一般輸送容量和輸電距離之間的關(guān)系，可參考國家發(fā)改委2003年制定的《風(fēng)電場場址選擇技術(shù)規(guī)定》，具體內(nèi)容見表1［15］所示。例如當(dāng)風(fēng)電場采用額定電壓為110 kV輸電線路時(shí)，輸電容量不宜大于50 MW，輸電距離不宜超過150 km。

表1 各級(jí)電壓水平的輸送容量和輸電距離Tab.1 Transmission capacity and transmission distance at different voltage level

2 高山風(fēng)電場選址方法

本文在建立高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，提出一種適用于高山風(fēng)電場的選址方法，如圖2所示。

圖2 高山風(fēng)電場選址流程圖Fig.2 Flow chart of site selection for wind farm on high mountains

第一步，通過查閱相關(guān)資料，對(duì)自然保護(hù)區(qū)、軍事禁區(qū)、文物古跡、礦產(chǎn)壓覆、氣象災(zāi)害等特殊性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，排除不符合條件的風(fēng)電場。

第二步，運(yùn)用層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)對(duì)風(fēng)能資源狀況、裝機(jī)規(guī)模、地形條件、地質(zhì)條件、土地利用狀況、進(jìn)場道路條件以及電網(wǎng)接入條件等一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重。層次分析法是美國著名運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty等人在20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、科技、軍事、環(huán)境、教育等方面的管理決策，該方法的主要實(shí)施步驟如下［16-17］。

(1)建立層次分析結(jié)構(gòu)模型。層次分析結(jié)構(gòu)模型一般分為3個(gè)層次:最高層為目標(biāo)層，一般為所分析問題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果;中間層為準(zhǔn)則層，包括為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的各種準(zhǔn)則;最底層為方案層，包括為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種方案。

(2)構(gòu)造判斷矩陣。從層次分析結(jié)構(gòu)模型的第2層開始，將從屬于(或影響)上一層元素的同層次諸元素進(jìn)行兩兩比較。假設(shè)X={x1，x2，…，xn}為從屬于(或影響)上一層某元素的同層次元素集，根據(jù)一定的判斷標(biāo)度將元素集中兩兩元素(如xi和xj)的比較定量化，標(biāo)度評(píng)判如表2所示。

表2 標(biāo)度評(píng)判Tab.2 Scale of judgment

根據(jù)比較結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，記為R:

式中 rij應(yīng)滿足:rij＞ 0，rij=1，rij=1/rji(i≠ j)。

(3)計(jì)算各元素權(quán)重系數(shù)。本文采用方根法求解權(quán)重系數(shù)，首先按行將判斷矩陣中各元素連乘后開n次方，得到各行元素的幾何平均值，記為:

得到同層次各元素權(quán)重集，記為W:

(4)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。同層次元素兩兩比較時(shí)，由于在整個(gè)判斷過程中很難保證決策思維的一致性，導(dǎo)致判斷結(jié)果可能會(huì)不一致，因此有必要對(duì)判斷矩陣R進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)過程如下所述。

定義一致性指標(biāo)，記為CI:

式中:λmax為判斷矩陣R的最大特征根;n為判斷矩陣的階數(shù)。

定義平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，記為RI，RI取值如表3所示。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab.3 Mean random consistency index RI

定義一致性比率，記為CR:

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為R滿足一致性;否則需重新構(gòu)造判斷矩陣，直到滿足一致性為止。

最后，對(duì)備選風(fēng)電場的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，通過加權(quán)求和法計(jì)算備選風(fēng)電場綜合評(píng)價(jià)總分值，再進(jìn)行從高分到低分排序，選出綜合條件較優(yōu)的風(fēng)電場。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

以省內(nèi)甲、乙、丙3座高山風(fēng)電場為例。

第一步，對(duì)特殊性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，3座風(fēng)電場均符合條件。

第二步，運(yùn)用層次分析法對(duì)各類一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。首先建立高山風(fēng)電場選址層次結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 高山風(fēng)電場選址層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Hierarchy structure model of site selection for wind farm on high mountains

圖3中目標(biāo)層為高山風(fēng)電場選址，用字母A表示;準(zhǔn)則層包括風(fēng)能資源狀況、裝機(jī)規(guī)模、地形條件、地質(zhì)條件、土地利用狀況、進(jìn)場道路條件、電網(wǎng)接入條件，分別為 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7;方案層包括甲、乙、丙 3 個(gè)備選風(fēng)電場，分別為 C1、C2、C3。

根據(jù)給定的判斷標(biāo)度，對(duì)準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)目標(biāo)層的重要程度進(jìn)行兩兩比較。本文采用問卷調(diào)查的形式，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)5位專家各自對(duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行兩兩比較，再計(jì)算比較結(jié)果的平均值，對(duì)平均值取整后構(gòu)造相應(yīng)的高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣，并計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣A－BTab.4 Judgment matrix A－B of evaluation index of site selection for wind farm on high mountains

一致性檢驗(yàn)結(jié)果為:λmax=7.087 9，CI=0.014 7，CR=0.011 1 ＜0.1。

第三步，同樣采取問卷調(diào)查的形式，邀請(qǐng)專家對(duì)3座風(fēng)電場各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)分。本文將評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為“非常好、較好、中等、較差、非常差”5個(gè)級(jí)別，并為各等級(jí)賦予相應(yīng)的分值，其中80～100分為“非常好”，60～80分為“較好”，40～60分為“中等”，20～40分為“較差”，0～20分為“非常差”。專家根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)甲、乙、丙風(fēng)電場中的評(píng)價(jià)指標(biāo)B1～B7進(jìn)行評(píng)分，并分別計(jì)算各風(fēng)電場中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均分值，最后結(jié)合各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，采用加權(quán)求和法計(jì)算各風(fēng)電場綜合評(píng)價(jià)總分值，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出:第一，在高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要程度排序依次為風(fēng)能資源狀況、裝機(jī)規(guī)模、地形條件、進(jìn)場道路條件、地質(zhì)條件、電網(wǎng)接入條件、土地利用狀況。第二，盡管風(fēng)電場甲在風(fēng)能資源狀況方面優(yōu)于風(fēng)電場乙和風(fēng)電場丙，但在裝機(jī)規(guī)模、地形條件、進(jìn)場道路條件、地質(zhì)條件、土地利用狀況等多方面均劣于風(fēng)電場乙;與風(fēng)電場甲和風(fēng)電場丙相比，風(fēng)電場乙在高山風(fēng)電場選址綜合評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)分值最高。因此，通過高山風(fēng)電場選址方法的應(yīng)用可知，風(fēng)電場乙是3座備選高山風(fēng)電場中最佳的。

表5 高山風(fēng)電場選址綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(平均分值和總分值)Tab.5 Comprehensive evaluation results of site selection for wind farms on high mountains(average score and total score)

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)江西省各地風(fēng)電場現(xiàn)場踏勘及相關(guān)資料的查閱，本文初步確定對(duì)江西省高山風(fēng)電場選址影響較大的因素，并將其作為高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建相應(yīng)的高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，這是高山風(fēng)電場選址的基礎(chǔ)。

(2)將層次分析法應(yīng)用于高山風(fēng)電場選址，通過層次分析結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)造及求解，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，并從各備選高山風(fēng)電場中選出綜合條件較優(yōu)的風(fēng)電場，整個(gè)選址過程更為科學(xué)、合理，選址結(jié)果更具說服力。

(3)通過工程實(shí)例應(yīng)用，證明將高山風(fēng)電場選址方法運(yùn)用于工程實(shí)踐具有一定的可行性，能為工程中高山風(fēng)電場選址提供參考。

(4)影響高山風(fēng)電場選址的不確定因素還有很多，在實(shí)際工作中仍須結(jié)合具體情況考慮。另外，由于層次分析法是一種綜合人的主觀判斷來分析復(fù)雜定性問題的擬定量方法，本文中各項(xiàng)高山風(fēng)電場選址評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算值與其客觀值之間可能存在一定的偏差，仍需在實(shí)踐中加以驗(yàn)證。

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