風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用于果園用電的設(shè)計項目研究報告

汪攀 雷澤森 何金波

フ?要：風(fēng)能作為清潔可再生能源，符合我國可持續(xù)發(fā)展政策對能源的戰(zhàn)略需求，但是囿于起步較晚、風(fēng)能資源分布不均衡，我國對風(fēng)能資源的開發(fā)并不充分。為響應(yīng)國家發(fā)展綠色經(jīng)濟的號召，本研究著眼于風(fēng)電技術(shù)的實際應(yīng)用，通過實地調(diào)研法、文獻查閱法等研究方法，對欽州市犀牛角河塘村果園進行了風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用設(shè)計，系統(tǒng)分析了果園地理位置、整體環(huán)境與用電量，考察并確定了3處安裝點。以測試的果園風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定了風(fēng)力發(fā)電機的相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)了一個較為完善的果園風(fēng)力發(fā)電設(shè)計。在幫助果園實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的同時，也為欽州市風(fēng)力資源的開發(fā)與利用提供參考，推動風(fēng)電與現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)有機結(jié)合，改善當(dāng)?shù)啬酥粮蠓秶哪茉蠢媒Y(jié)構(gòu)。

ス丶詞：清潔能源；風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電

1?選題背景

1.1?中國風(fēng)能資源現(xiàn)狀

1.1.1?風(fēng)能資源豐富、利用空間大

ゾ萃臣莆夜的風(fēng)能總量處于世界第三。根據(jù)全國900多個氣象站以陸地上離地10m高度進行估算，全國平均風(fēng)功率密度為100w/m2，風(fēng)能資源總儲量約32.26億千瓦，可開發(fā)和利用的陸地風(fēng)能儲量2.53億千瓦，近?？砷_發(fā)和可利用的風(fēng)能儲量7.5億千瓦，共計約10億千瓦［1］。

1.1.2?風(fēng)能資源分布不均衡

ノ夜東部沿海受海風(fēng)影響，風(fēng)能資源最豐富；北部內(nèi)蒙古地區(qū)地勢平坦，常年受西北風(fēng)影響，風(fēng)能資源也為豐富；西北地區(qū)，受冬季風(fēng)的影響，風(fēng)能密度達200－300w/m2。東北三省到新疆一帶是北部地區(qū)風(fēng)能豐富區(qū)，風(fēng)能資源為內(nèi)陸最優(yōu)；黑龍江和吉林東部以及遼東半島，風(fēng)能較大。四川盆地、塔里木盆地、雅魯藏布江河谷等地，受高山影響，冷空氣難以進入，風(fēng)資源貧乏，只能季節(jié)性利用風(fēng)能。不同地貌、不同高度，對風(fēng)能的影響都是不同的。根據(jù)資料顯示，我國垂直地面50米高度平均風(fēng)能資源大體可以劃分為貧乏區(qū)、一般區(qū)、較豐富區(qū)和豐富區(qū)。［2］

1.2?中國風(fēng)能資源開發(fā)現(xiàn)狀

シ緄縉鴆澆賢懟⒎⒄寡桿佟Ｎ夜于上世紀末開始研究風(fēng)電，到2017年，全國風(fēng)機新增裝機容量1966萬千瓦，累計裝機容量達1.88億千瓦，每年新增裝機容量都在不停上升，只是近幾年增速放緩。風(fēng)電已逐步成為我國主流發(fā)電方式，2017年，中國六大區(qū)域的風(fēng)電新增裝機容量如下圖所示。三北地區(qū)新增裝機容量達45%，華東、中西南地區(qū)新增裝機容量達55%。全國不同程度利用風(fēng)資源，風(fēng)電裝機容量持續(xù)上升，符合國家能源局《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。

圖1?2017年中國六大區(qū)域風(fēng)電新增裝機容量占比

2?研究目的及意義

ス鬮髂茉炊倘保一次能源匱乏，限制地域發(fā)展。為解決能源匱乏問題，國家給予多方面政策支持，廣西應(yīng)積極開發(fā)無污染的清潔能源。

シ縋蓯強煽?、无污如R那褰嗄茉矗有效減輕環(huán)境壓力，保護環(huán)境。針對我國一次能源匱乏以及可在生能源開發(fā)率較低的問題，本研究根據(jù)能源資源學(xué)、可持續(xù)發(fā)展、地理資源學(xué)等為基礎(chǔ)，以及在《氣象部門參與全國大型風(fēng)電場建設(shè)前期工作方案》、《關(guān)于組織開展風(fēng)能資源普查評價工作的通知》的政治背景下，把欽州犀牛角果園定為研究區(qū)，根據(jù)風(fēng)速計以及氣象局的測試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)具有良好的風(fēng)電資源，在此研究區(qū)利用風(fēng)力發(fā)電可減輕部分能源匱乏問題。

3?研究方法

ナ檔氐餮蟹ǎ憾怨園進行實地考察，了解果園風(fēng)力資源狀況。

ノ南撞樵姆ǎ旱餮惺據(jù)、查閱數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用歸納總結(jié)、統(tǒng)計分析等不同方法對果園風(fēng)電安裝進行探索研究［3］。

ニ婊取樣法：在果園進行隨機性的采樣，通過測定風(fēng)速采用隨機性來間接性的降低因為天氣變化等不可避免因素帶來的偶然誤差。

ネ臣剖據(jù)法：通過取多組數(shù)據(jù)，來尋找風(fēng)速的變化規(guī)律，以此達到最大程度的增強數(shù)據(jù)的可靠性和權(quán)威性。

ソ立數(shù)學(xué)模型：對數(shù)據(jù)擬合，運用office等軟件，建立柱狀圖、折線圖、扇形圖，直觀的了解數(shù)據(jù)。

4?研究內(nèi)容

4.1?廣西風(fēng)能開發(fā)現(xiàn)狀

ァ笆二五”期間廣西風(fēng)資源正式開發(fā)，金紫山風(fēng)電場是廣西最大風(fēng)電場，2011年正式并網(wǎng)發(fā)電，年并網(wǎng)發(fā)電量約9500萬千瓦時。2017年，廣西全區(qū)并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量達109.8萬千瓦，取得重大突破［4］，未來全區(qū)還會加大風(fēng)資源利用強度。

ス鵒幀⒑刂蕁⒂窳幀⒛夏、柳州和欽州建有不同容量風(fēng)電場。桂林市風(fēng)能資源豐富，已投產(chǎn)風(fēng)電容量63.2萬kW。桂林風(fēng)電規(guī)劃裝機容量屬全區(qū)最高，風(fēng)電占有比例最大。區(qū)內(nèi)最大風(fēng)電項目在桂林興安，已并網(wǎng)發(fā)電裝機容量40萬千瓦。

4.2?欽州自然氣候

デ罩菔惺粲諮僑卻向熱帶過度性質(zhì)的海洋季風(fēng)氣候。高溫多雨，干濕季節(jié)分明，冬無嚴寒，夏無酷暑，日照強度大，雷暴多發(fā)，季風(fēng)盛行，多年平均氣溫22.1℃。欽州常年盛行北風(fēng)，南風(fēng)次之，少有月份出現(xiàn)靜風(fēng)。風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯，9月至次年4月多偏北風(fēng)，5月至7月多偏南風(fēng)。夏秋兩季大風(fēng)日較多，臺風(fēng)一般由南海進入北部灣，受到海南島和雷州半島的阻擋，風(fēng)力一般減弱至5-6級，平均每年大于8級的大風(fēng)日數(shù)為12天，僅在1954年8月30日產(chǎn)生一次強烈臺風(fēng)，風(fēng)力達12級［5］。

4.3?果園地理位置

ス園位于欽州市欽南區(qū)犀牛角河塘村，地處東經(jīng)108°76′，北緯21°73′，北接欽州市區(qū)，南臨北海市，有便利的交通條件和較為廣闊的消費市場。果園以低矮山坡為主，是典型的丘陵地帶，坡度和緩。自北向南，高低變化，局部有高地，少有低洼地段，地表粗糙度在0.02-0.3m之間。

圖2?果園示意牌

4.4?果園耗電分析

ス園主要用電器2.5kW抽水泵（HFD-20）、7.5kW遠程抽水機（CH-120）、4kW管道離心泵（ISG100-100A）、3kW抽肥泵（2HP-20）。

圖3?用電器在果園的分布位置

ス園正常情況月耗電250度左右，平均耗電52度。其中抽水泵、打藥泵和管道離心泵耗能最多，抽肥泵單次使用時間較少，能耗較低。以上是果園理論耗電量，實際耗電量更大，每月耗電量約1000度。

5?欽州風(fēng)速

デ罩蕕乩砦恢媒咸厥猓其風(fēng)速比白龍尾半島、龍門地區(qū)小。欽州各月最大風(fēng)速均在10m/s以上，沿海平均風(fēng)速均在2.0m/s以上。為了使測風(fēng)數(shù)據(jù)更加準確，根據(jù)欽州市犀牛腳鹽場自動氣象觀測站實測的氣象資料統(tǒng)計得到，近三年犀牛腳鹽場年平均風(fēng)速值和2018年犀牛腳10分鐘平均風(fēng)速值如下：

6?風(fēng)機安裝點

6.1?安裝點A測風(fēng)情況

プ酆隙員攘醬問據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬半年風(fēng)速較大，測得最小風(fēng)速平均值為5.1m/s；夏季風(fēng)速較小，測得最小風(fēng)速平均值為19m/s。為使測風(fēng)數(shù)據(jù)更加合理，山頂、山底都有測風(fēng)，均發(fā)現(xiàn)風(fēng)力較大。安裝點具有良好地勢，山坡坡度較低，迎風(fēng)坡前有較多寬敞平地。平地夾于兩山之間，有較大壓力差，風(fēng)速較大。迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡覆有低矮灌木叢，沒有障礙物，山頂只有較少獨木，適合安裝風(fēng)力發(fā)電機。山坡腳下有水果篩選廠，需修建多個風(fēng)力發(fā)電機供電。

測得最大平均風(fēng)速在5m/s以上，已經(jīng)達到風(fēng)機啟動速度。安裝B點位于山頂，理論上山頂風(fēng)速應(yīng)為最大，但實測風(fēng)速較小，風(fēng)力在正常值之下。猜測山頂高大樹木遮擋，擋住了大部分來風(fēng)，故而風(fēng)速測量值較小。

6.3?安裝點C測風(fēng)情況

プ酆隙員攘醬尾夥紓夏半年風(fēng)速比冬半年風(fēng)速略小，但最大風(fēng)速都在4m/s以上。安裝點C地勢開闊位于山頂平地，有良好的風(fēng)能條件。

6.4?小結(jié)

ス園冬半年風(fēng)力較大，夏半年次之。點A風(fēng)力最大，B點和C點的風(fēng)能都次于A點。A點冬季最小瞬時風(fēng)速為3.37m/s，最大風(fēng)速在12.57m/s，而夏半年的風(fēng)速較小。點B冬季最小瞬時風(fēng)速在1m/s左右，最大瞬時風(fēng)速在6.55m/s。點C冬季測風(fēng)最大值為5.89m/s，最小值為1.10m/s。

ス浪愎園風(fēng)能，取風(fēng)機高度12m，為使數(shù)據(jù)合理，綜合測風(fēng)數(shù)據(jù)取A、B、C三點風(fēng)速為6m/s、4m/s和5m/s；取風(fēng)輪直徑10m，理想狀態(tài)風(fēng)力持續(xù)1h，標準空氣密度，粗糙度0.01m。風(fēng)速隨地面高度的變化而改變，地面粗糙度越大，風(fēng)速變化越大?，F(xiàn)場測量的風(fēng)速都是離地1.5m高度左右的風(fēng)速，那么根據(jù)風(fēng)廓線公式玼2玼1=玪n（玥2-d）┆-lnz0玪n（玥1-玠）-ln珃0，算得三地12m高度的風(fēng)速風(fēng)別為9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s。根據(jù)風(fēng)能密度公式玾=12ρv3，算得三點平均風(fēng)能密度都在150W/﹎2以上，根據(jù)風(fēng)能計算公式獷=12ρt┆玸v3則可算得風(fēng)能總量約為2.695×┆108獼。

7?備選風(fēng)力發(fā)電機

パ≡窈鮮實姆緇發(fā)電是減少能耗的關(guān)鍵，考慮電能運輸損失，根據(jù)就近原則擬定方案，在A、B、C三點各建立風(fēng)力發(fā)電機，配合電網(wǎng)分別給用電器供電。選擇江蘇乃爾風(fēng)電NE—20k風(fēng)機最為合理，該公司在新能源行業(yè)中具有領(lǐng)先技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢，擁有多項風(fēng)力發(fā)電專利，并通過多項國家檢驗認可，質(zhì)量安全可靠。

ス鬮餮睪５厙自然災(zāi)害頻繁，強對流大風(fēng)天較多，雷暴天氣比較頻繁。每年9月下旬開始出現(xiàn)偏北大風(fēng)，風(fēng)速大于11m/s。欽州沿海地區(qū)每月都會出現(xiàn)大風(fēng)天，累年最大風(fēng)速為30m/s，所選風(fēng)力發(fā)電機安全風(fēng)速在30m/s以上，其正常工作溫度為-40℃~80℃，可以抵抗果園惡略天氣的侵襲，風(fēng)機帶有自動偏航系統(tǒng)，可以自動對準風(fēng)來向，使風(fēng)機產(chǎn)生較多的電能。當(dāng)風(fēng)速達到2.5m/s時風(fēng)機啟動，風(fēng)速達到3m/s時風(fēng)機開始發(fā)電，當(dāng)風(fēng)速達到12m/s時，風(fēng)機達到額定功率持發(fā)電。

8?結(jié)論

ス園每月耗電1000度，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況，選擇風(fēng)機NE—20k，分別安裝在三個區(qū)域。A測風(fēng)點地勢較好、風(fēng)況較佳，可以選擇多個風(fēng)機并聯(lián)供電，B點對應(yīng)的用電器功率較小可以選擇安裝一個風(fēng)力發(fā)電機單獨供電，C點地處山頂，其用電器功率最大，可以選擇安裝兩個風(fēng)力發(fā)電機并聯(lián)供電。

プ酆霞定果園風(fēng)速在5m/s左右，根據(jù)風(fēng)機功率圖算得發(fā)電機每小時可發(fā)電1度，冬半年大約可發(fā)4000度電解決供電問題。風(fēng)力發(fā)電機的安裝高度在12m以上，故而風(fēng)速會比現(xiàn)在估算值高，發(fā)電所得電能也會相應(yīng)增加。風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量還需借助風(fēng)能轉(zhuǎn)換理論和貝茨理論計算。因風(fēng)穩(wěn)定性差、波動性大，實際發(fā)電量還要看果園天氣狀況，且發(fā)電機的價格較貴，成本較高，風(fēng)力發(fā)電配合電網(wǎng)聯(lián)合供電使用較為合理。果園測風(fēng)數(shù)據(jù)只是粗略測得，需要準確得出果園風(fēng)能數(shù)據(jù)還需建立測風(fēng)塔，保證測風(fēng)數(shù)據(jù)的完整率。還需利用WasP、Windpro軟件對風(fēng)況進行預(yù)測、優(yōu)化風(fēng)電機組的布置。

ゲ慰嘉南祝

ィ1］王建新.綠色建筑視角下的建筑節(jié)能技術(shù)運用［J］.科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2019，27（03）：106.

ィ2］黃海燕.低碳經(jīng)濟背景下風(fēng)力發(fā)電布局與評價研究［D］.遼寧師范大學(xué)，2010.

ィ3］屈婷婷，黃智，覃澤林，盧慶南，周保吉，梁富華.廣西現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀分析［J］.農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2019，30（04）：186-189.

ィ4］李镕耀.“十三五”及中長期廣西風(fēng)電發(fā)展形勢分析［J］.紅水河，2017，36（04）：59-61.

ィ5］鄭暖芳，張放.海港建設(shè)與海上運輸［J］.學(xué)術(shù)論壇，1985（04）：31-33.

プ髡嘸蚪椋和襞剩北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)；雷澤森，北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)；何金波，北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)。

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