西藏風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景淺析

何 一， 崔懷樹， 孫 慶

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

西藏地處我國西南邊陲，幅員面積達120多萬km2，約占全國國土面積的1/8，國境線長達4 000多km，是我國西南邊疆的重要門戶和屏障，戰(zhàn)略位置十分重要。

青藏高原是世界上最大的高原，東西長約3 000 km，南北寬1 000多km，平均海拔高度4 000 m以上，約占對流層的三分之一。巨大的高度使得常年受高空西風(fēng)環(huán)流影響，流經(jīng)此處的氣流產(chǎn)生強制性的繞流和爬坡。冬季，由于西風(fēng)氣流較強，氣流的爬坡和繞流均較為強勢；夏季，由于西風(fēng)氣流偏弱，氣流的繞流比較明顯。

1 西藏風(fēng)能資源概況

1.1 西藏風(fēng)能資源儲量

西藏是我國風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)之一。由于海拔較高，主要受高空西風(fēng)環(huán)流控制，表現(xiàn)為以高空西南風(fēng)為主風(fēng)向。受高大山系的地形影響，近地面的高風(fēng)速區(qū)主要集中在山脊、高原臺地、山谷等區(qū)域。在昆侖山-唐古拉山、岡底斯山-念青唐古拉山、喜馬拉雅山、橫斷山等山脈區(qū)域風(fēng)能資源尤其突出，年平均風(fēng)速在7 m/s以上，年平均有效風(fēng)能密度超過200 W/m2。受四周高山遮擋，中部雅魯藏布江河谷地區(qū)處于湍流區(qū)或擴散區(qū)，風(fēng)能資源較差。

全國第四次風(fēng)能資源普查中，在西藏那曲設(shè)置了3座測風(fēng)塔收集數(shù)據(jù)，普查出70 m高度風(fēng)功率密度200 W/m2以上區(qū)域的技術(shù)可開發(fā)量為118萬kW。

通過對西藏境內(nèi)16座測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進行分析，初步估算全區(qū)風(fēng)能資源在7 m/s以上的區(qū)域約占全區(qū)面積的40%，主要分布于海拔4 800 m以上的高山區(qū)，風(fēng)能資源理論蘊藏量為1.1×105億kW·h，風(fēng)力發(fā)電理論開發(fā)量約1.81億kW，技術(shù)可開發(fā)量約2 855萬kW。

1.2 風(fēng)能資源分布

受氣流來流方向影響，位于高原南北兩側(cè)的地形急速抬升地帶能獲得氣流爬升帶來的壓縮效應(yīng)，風(fēng)能資源最好。高原中部的超高海拔區(qū)域風(fēng)能資源較好，部分平行于主風(fēng)向的順直山谷也具有很好的風(fēng)能資源，但大部分山脈的背風(fēng)面、海拔較低區(qū)域處于紊流區(qū)，風(fēng)能資源較差。高原東部的橫斷山脈區(qū)域位于南支繞流的主路線上，在垂直于主風(fēng)向的山脈、山口等地也具有很好的風(fēng)能資源。從地理分區(qū)看，藏北高原的資源蘊藏量最大，約占全區(qū)技術(shù)可開發(fā)量的60%；藏南一帶約占全區(qū)技術(shù)可開發(fā)量的25%，藏東約占全區(qū)技術(shù)可開發(fā)量的10%，藏中約占全區(qū)技術(shù)可開發(fā)量的5%。從行政區(qū)劃看，那曲地區(qū)的技術(shù)可開發(fā)量最大，超過全區(qū)技術(shù)可開發(fā)量的一半。

受西藏整體海拔高度偏高的影響，已探明的西藏風(fēng)能資源經(jīng)濟可開發(fā)場址(80 m高度風(fēng)功率密度250 W/m2以上)全部位于海拔超過4 500 m的超高海拔區(qū)域，開發(fā)難度較大。西藏風(fēng)能資源分布見圖1，各地(市)資源量占比見圖2。

本次計算采用的大部分測風(fēng)塔風(fēng)能資源均在200 W/m2以上，10個場址的測風(fēng)塔風(fēng)能資源超過250 W/m2以上。最好的測風(fēng)塔風(fēng)速超過9 m/s，風(fēng)功率密度超過500 W/m2，風(fēng)能資源很好。

圖1 西藏風(fēng)能資源分布

圖2 西藏各地區(qū)(市)風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量(左)、經(jīng)濟可開發(fā)量(右)占比

1.3 風(fēng)能資源特點

通過對測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進行分析，西藏的風(fēng)能資源具有如下特點。

1.3.1 風(fēng)向

番茄新品種黃化曲葉病毒病抗性基因Ty1、Ty3的分子標(biāo)記……… 劉 燕，尚春明，高振江，王 偉，周 剛，鄭于莉，姚慧靜（33）

除藏北高原外，全區(qū)各風(fēng)電場址主風(fēng)向都很穩(wěn)定。南部均以西南風(fēng)、南風(fēng)為主，藏北高原在西風(fēng)氣流旺盛時盛行西風(fēng)，夏秋季節(jié)西風(fēng)氣流較弱時以西南風(fēng)、南風(fēng)為主。

1.3.2 風(fēng)速年內(nèi)分布

年內(nèi)風(fēng)能資源變幅較大，主要集中在冬春季節(jié)。11月至次年4月為大風(fēng)季，風(fēng)能約占全年的75%，風(fēng)速可達7～11 m/s，風(fēng)功率密度可達200～900 W/m2；大風(fēng)季內(nèi)變幅波動，最大月一般出現(xiàn)在2月或12月。5月至10月為小風(fēng)季，風(fēng)能約占全年的25%，風(fēng)速一般為4～7 m/s，風(fēng)功率密度一般為50～200 W/m2；小風(fēng)季內(nèi)呈深“V”形變化，最小月一般出現(xiàn)在8月。西藏東部地區(qū)年內(nèi)變幅最大，西部地區(qū)年內(nèi)變幅偏小(見圖3)。

圖3 典型測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)功率年內(nèi)分布

1.3.3 風(fēng)速日內(nèi)分布

日內(nèi)風(fēng)能資源變幅普遍較大，變化規(guī)律全年都較為一致，風(fēng)能主要集中在12 ∶00～24 ∶00。風(fēng)力最小一般出現(xiàn)在9 ∶00～11 ∶00，很多場址甚至?xí)霈F(xiàn)無風(fēng)狀態(tài)。此后風(fēng)力快速增大，最大一般出現(xiàn)在17 ∶00～19 ∶00，大多數(shù)場址風(fēng)速可達到10 m/s以上，在風(fēng)機額定風(fēng)速以上可維持2～5 h，隨后緩慢減小。0 ∶00～12 ∶00風(fēng)能約占全天的30%，12 ∶00～24 ∶00時風(fēng)能約占全天的70%。從季節(jié)上看，冬春季節(jié)的日內(nèi)變化幅度相對較小，夏秋季節(jié)日內(nèi)變化幅度相對較大。隨日照時長的變化，冬春季節(jié)日最大風(fēng)速出現(xiàn)時刻稍早，一般出現(xiàn)在17 ∶00～18 ∶00，夏秋季節(jié)最大風(fēng)速出現(xiàn)時刻后延，一般出現(xiàn)在18 ∶00～19 ∶00(見圖4)。

圖4 典型測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)功率日內(nèi)分布

1.3.4 風(fēng)頻分布

風(fēng)能資源普遍呈現(xiàn)無風(fēng)及切入風(fēng)速以下時段少，可利用風(fēng)速時段多的特點?？衫蔑L(fēng)速時段一般超過80%，大部分風(fēng)能資源均可有效利用。由于高海拔空氣密度低的緣故，切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、額定風(fēng)速一般比標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下偏高20%。部分測風(fēng)塔超出額定風(fēng)速時段較多，但超過切出風(fēng)速的情況極少(見圖5)。

圖5 典型測風(fēng)塔風(fēng)頻分布

1.3.5 風(fēng)切變

平原地形場址的風(fēng)切變較大，一般在0.08～0.1。山脊地形場址的風(fēng)切變較小，一般高度50 m以下的風(fēng)切變在0.06以內(nèi)，50 m以上風(fēng)切變很小，甚至很多場址出現(xiàn)負切變的情況。

2 西藏風(fēng)電開發(fā)存在的問題

2.1 運行現(xiàn)狀

目前市場上通用的高海拔風(fēng)電機型，一般指適用于海拔高度在2 000～3 500 m(部分廠家至4 000 m)的風(fēng)電機型。適用于4 000 m以上的機組被歸類為超高海拔風(fēng)電機組。至今超高海拔機型在工程實際中運行極少。少數(shù)高海拔項目中個別機位突破臨界值時，通常采用在高海拔機型上局部修正的方式以適應(yīng)要求。成批量采用超高海拔機型的項目僅有國電龍源的那曲高海拔試驗風(fēng)電場。

龍源那曲高海拔試驗風(fēng)電場為納入“十二五”第二批擬核準(zhǔn)計劃的風(fēng)電項目，總規(guī)模49.5 MW。項目位于那曲鎮(zhèn)西側(cè)，平均海拔4 600 m，風(fēng)速5.7 m/s，風(fēng)功率密度250 W/m2，設(shè)計年發(fā)電利用小時1 422 h。2013年底第一批5臺機組建成投產(chǎn)，采用聯(lián)合動力的1 500 kW超高海拔機型，裝機規(guī)模7.5 MW，后續(xù)機組一直未實施。項目發(fā)電以來，2014年發(fā)電利用小時數(shù)1 333 h，2015年發(fā)電利用小時數(shù)1 760 h，2016年發(fā)電利用小時數(shù)1 908 h，發(fā)電效果超預(yù)期，效果良好。

2.2 存在問題

2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機組

西藏的平均海拔高度超過4 000 m，觀測的大多數(shù)風(fēng)能資源較好的風(fēng)電場海拔高度都在4 600 m以上，部分甚至超過5 000 m?，F(xiàn)有的高海拔型風(fēng)機均不適應(yīng)，必須開發(fā)適合的超高海拔型風(fēng)電機組。通過與國內(nèi)多家主要風(fēng)電機組廠商進行技術(shù)交流，超高海拔的風(fēng)電機組存在的主要問題如下：

(1)電氣絕緣。超高海拔地區(qū)空氣相對密度減小，電子的自由行程增加，空氣的電氣強度下降，對于外絕緣而言其起始放電電壓降低，絕緣需要重新考慮。

(2)散熱。超高海拔地區(qū)空氣異常稀薄，空氣流動密度低，常用的氣冷模式效果不如低海拔地區(qū)，需要重新設(shè)計散熱系統(tǒng)。

(3)設(shè)備降容。超高海拔環(huán)境使得常用的電氣設(shè)備不能按常規(guī)設(shè)計的滿負荷工作，需重新設(shè)計或降容使用。

(4)市場容量小。從全球而言，超高海拔區(qū)域面積不大，在超高海拔區(qū)域及附近生活的人口少，用電需求小，導(dǎo)致市場容量較小，風(fēng)電機組廠家缺少開發(fā)該機型的動力。

2.2.2 電 網(wǎng)

西藏目前僅通過兩條長距離超高壓線路與內(nèi)地電網(wǎng)保持弱連接，基本處于獨立運行狀態(tài)。電網(wǎng)規(guī)模小，調(diào)節(jié)性能好的骨干電源點缺乏，電網(wǎng)穩(wěn)定性較差。近年來，西藏電網(wǎng)內(nèi)光伏電站投產(chǎn)較多，加重了電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的負擔(dān)。對于同為不穩(wěn)定電源的風(fēng)電來說，投入過多、過快，勢必加大電網(wǎng)的不穩(wěn)定因素。西藏電網(wǎng)規(guī)模小，輸電線路少，大部分風(fēng)電場都處于人煙稀少的空曠地帶，因此就近接入電網(wǎng)也存在一定困難。

3 西藏風(fēng)能資源開發(fā)價值

3.1 西藏電力供應(yīng)形勢

西藏電網(wǎng)目前的電源結(jié)構(gòu)為水電為主，太陽能發(fā)電和區(qū)外輸電為輔(主要提供電量補充)，另建設(shè)有部分燃油機組作為應(yīng)急備用。從裝機規(guī)模來看，水電占64%，火電(燃機)占17%，光伏占16%，地?zé)犸L(fēng)電等其他電源占3%。從發(fā)電量來看，水電占70%，區(qū)外輸電占17%，光伏占9%，地?zé)犸L(fēng)電等其他電源占5%，火電(燃機)基本未發(fā)電。

西藏是我國化石能源極度缺乏的區(qū)域，煤、油、氣等常規(guī)化石能源主要依靠區(qū)外運入，代價昂貴。為滿足當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷南M需求，在國家給予大量補貼后，市面燃油價格仍高出內(nèi)地30%。如靠調(diào)入化石燃料來發(fā)電，價格將高到難以承受。出于環(huán)保的考慮，在西藏也不可發(fā)展大規(guī)?；痣?，故西藏目前僅有少量的燃機電廠作為調(diào)峰應(yīng)急電源。

目前西藏與內(nèi)地有兩條超高壓線路連接，分別是800 kV的青藏直流和500 kV的川藏聯(lián)網(wǎng)工程(昌都至四川段部分建成)，分別與青海、四川電網(wǎng)連接。兩條輸電線路均受到距離遠、造價高的影響，電能損失大，運行效率低，輸電價格昂貴，難以再通過新建輸電線路來滿足西藏的用電需求。

西藏主要的電能供應(yīng)只有靠當(dāng)?shù)氐目稍偕茉窗l(fā)電，包括水電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電。

西藏水能資源豐富，可開發(fā)資源量巨大，是西藏電力供應(yīng)的主力。但豐枯期水量差異懸殊，導(dǎo)致目前西藏出現(xiàn)豐水期棄水、枯水期缺電的情況。西藏水電建設(shè)成本很高，尤其是大型水庫電站的建設(shè)，建設(shè)周期長，存在問題也很多，想通過建設(shè)大型水庫電站來調(diào)劑余缺，在短期內(nèi)難以實現(xiàn)。

西藏太陽能資源極其豐富，是全國乃至世界太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。西藏已開發(fā)光伏項目超過40萬kW，但太陽能項目發(fā)電具有時間集中(主要集中在正午的4～5個小時)的特點，難以適應(yīng)負荷的需求，目前大多數(shù)太陽能項目都處于中午大量棄光，晚上系統(tǒng)缺電時無電可發(fā)的窘境。

西藏的風(fēng)能資源豐富，通過前述的特點可發(fā)現(xiàn)，枯期多、豐期少的特點，使得風(fēng)電與水電有著極好的互補性；而下半天多、上半天少的特點，也與負荷波動相一致，且與光伏發(fā)電形成良好的互補。風(fēng)力發(fā)電建設(shè)周期短，是非常適合現(xiàn)狀下西藏電網(wǎng)供電形勢的電源。

3.2 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性

通過對西藏典型風(fēng)電場的工程造價進行測算，一定規(guī)模(5萬kW左右)的風(fēng)電場，單位千瓦投資約為11 000元。經(jīng)測算，風(fēng)電場的風(fēng)功率密度在250 W/m2左右時，利用小時數(shù)可達2 100 h。按西藏的相關(guān)政策測算，在采用2018年后國家Ⅳ類資源區(qū)標(biāo)桿電價0.57元/kW·h計算時，資本金財務(wù)內(nèi)部收益率可達到8%左右，基本滿足財務(wù)可行。在風(fēng)能資源更好的區(qū)域，將具備很好的開發(fā)價值。

4 結(jié) 語

西藏有著豐富的風(fēng)能資源，在優(yōu)化西藏電源結(jié)構(gòu)、補充近期西藏電力缺口方面效益顯著，對提高西藏人民生活用電水平、促進西藏經(jīng)濟發(fā)展、保護西藏自然環(huán)境有著重要的意義。西藏風(fēng)能資源特點決定了風(fēng)力發(fā)電是適合西藏電力發(fā)展需求的，但目前還存在諸多困難，如資源普查范圍小、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、適應(yīng)超高海拔的風(fēng)電機型少、后續(xù)補貼機制不明確等，只有在政府的相關(guān)扶持政策的支撐下，各類企業(yè)加大協(xié)作力度，才能更好地推動西藏的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)不斷發(fā)展。