基于風(fēng)電技術(shù)的果園用電設(shè)計

雷澤森 汪攀 何金波

摘?要：針對以往風(fēng)力發(fā)電技術(shù)多應(yīng)用于內(nèi)陸和海上發(fā)電，以兼具陸地和海上因素的欽州綠宇水果種植基地為例，采用合理的用電設(shè)計應(yīng)用于果園，目的是按照風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量，輸送電線損耗的能量，以及用電特點，從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，盡可能在損耗能量最小情況下，最大化利用電能，實現(xiàn)節(jié)能減排，降低果園經(jīng)營成本。根據(jù)果園復(fù)雜地形、風(fēng)力大小，合理選擇風(fēng)機安放地點及其類型，并根據(jù)用電器分布情況，計算每個用電器所需耗電量。通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析測風(fēng)數(shù)據(jù)，并利用所測數(shù)據(jù)計算出風(fēng)功率密度，從而對果園風(fēng)能資源進行評估。

關(guān)鍵詞：果園;用電計算;風(fēng)能

1 緒論

1.1 研究背景

廣西欽州市南臨北部灣，西北多為丘陵地帶，屬于亞熱帶向熱帶過度性質(zhì)海洋季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋與內(nèi)陸大氣團影響，季風(fēng)環(huán)流明顯，擁有豐富的風(fēng)力資源。犀牛角河塘村果園地理環(huán)境特殊，近海且為丘陵地帶，該地區(qū)冬季風(fēng)力最大，秋季次之，全年東北風(fēng)最多，其次為西南風(fēng)，風(fēng)能資源豐富。據(jù)了解當(dāng)?shù)毓r(nóng)及居民用電均來自國家電網(wǎng)，而果園存在用電支出較大、用電不方便等問題，合理利用果園風(fēng)能資源，建設(shè)風(fēng)電場將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，一方面能夠提高能源的利用率、減少果園的用電支出進而提高果農(nóng)生產(chǎn)收入，另一方面有利于提高當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钯|(zhì)量，帶動地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，也響應(yīng)了當(dāng)前國家提出的“十一五”國家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃政策。

1.2 廣西風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

廣西風(fēng)能資源開發(fā)較晚，位于資源縣的金紫山風(fēng)電場為全區(qū)最早建設(shè)的風(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。“十二五”期間廣西風(fēng)資源得以正式開發(fā)，并且取得了一定成績。2017年，廣西全區(qū)并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量達109.8萬千瓦，取得了重大突破。2018年12月廣西壯族自治區(qū)風(fēng)力發(fā)電量產(chǎn)量為4.4億千瓦時，同比增長41.3%;2018年3—12月廣西累計風(fēng)力發(fā)電量產(chǎn)量為38.2億千瓦時。未來全區(qū)還會有更多風(fēng)能被開發(fā)利用，為我們供應(yīng)更多的電能。

2 欽州風(fēng)況

欽州屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，高溫多雨，干濕季節(jié)分明，日照強度大，雷暴多發(fā)，季風(fēng)盛行。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，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。

3 欽州市欽南區(qū)犀牛角河塘村果園現(xiàn)場調(diào)研概括

3.1 項目概述

本項目從果園用電情況入手，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能從而為果園提供電能，達到節(jié)能減排，降低果園成本。為當(dāng)?shù)貛砀嘟?jīng)濟效益和社會效益，為其他風(fēng)力發(fā)電運用于果園提供方法和參考。

3.2 自然環(huán)境

果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′，是典型的丘陵地帶，占地約100畝。果園隸屬南亞熱帶氣候，具有亞熱帶向熱帶過度性質(zhì)的海洋季風(fēng)特點，日照強度大、時間長，臺風(fēng)、雷暴天氣多發(fā)，年平均氣溫21℃—23℃。果園屬低山區(qū)，表面粗糙度在0.02—0.3之間，山體基本連續(xù)，山頂高度海拔高度為20.00m—35.00m之間，山脊（頂）稍緩。坡腳邊坡稍緩，坡度10°—20°，山坡較陡，坡度35°—50°，局部達30°。

3.3 果園用電分析

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

果園正常情況月耗電250度左右，平均耗電52度。抽水泵、打藥泵和管道離心泵耗能最多，抽肥泵能耗較低。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。

4 果園風(fēng)能估算

4.1 風(fēng)能概述

風(fēng)能多少是評估一個地方能否建立風(fēng)電場的重要依據(jù)。風(fēng)能是指在單位時間內(nèi)在某一面積上以一定速度自由流動的氣流中獲得的能量。即獲得功率W=（FV）*ρV22=12ρFV3，它等于面積、速度、氣流動壓的乘積

，將風(fēng)輪面積定為1平方米（F=lm2）時，風(fēng)能具有的功率為：W=12ρv3（W/m2）。

4.2 風(fēng)能估算

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，標準空氣密度，粗糙度0.01m，風(fēng)輪直徑10m?，F(xiàn)場測得風(fēng)速都是離地1.5m高度左右的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)廓線公式u2u1=ln（h2-d）-lnz0ln（h1-d）-lnz0，算得三點12m高度風(fēng)速分別為9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s。根據(jù)風(fēng)能密度公式w=12ρv3，算得三點在1m2內(nèi)平均風(fēng)能密度都在150W/m2以上，根據(jù)風(fēng)能計算公式E=12ρtsv3則可算得三地風(fēng)能總量約為2.695×108J。

4.3 測風(fēng)數(shù)據(jù)

4.3.1 安裝點A測風(fēng)情況

綜合對比兩次數(shù)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1.9m/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。

4.3.2 安裝點B測風(fēng)情況

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。

4.3.3 安裝點C測風(fēng)情況

綜合對比兩次測風(fēng)，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。

5 風(fēng)機安裝點

合理選擇風(fēng)機安放位置可最大程度利用風(fēng)能，減少各類材料的損耗，減少輸電能耗損失。風(fēng)機安裝點可根據(jù)該果園的山區(qū)地形走勢，再結(jié)合果園的用電器分布情況，合理的選擇安裝點。安裝點A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，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。安裝點B位于山頂，因?qū)嵉販y量時山頂處有高大遮擋物，風(fēng)速測量值較小，但平均最大最小瞬時風(fēng)速均在2.5m/s以上，能達到風(fēng)機最小啟動值，若是風(fēng)力發(fā)電機修建較高，風(fēng)能必定也會更大。安裝點C地勢開闊位于山頂平地，周圍樹木都已砍伐光，沒有高大樹木遮擋，有良好的風(fēng)能條件。

6 風(fēng)力發(fā)電機的選擇

廣西沿海地區(qū)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。為了使風(fēng)速更加準確，根據(jù)2016-2018年欽州市犀牛腳鹽場自動氣象觀測站實測氣象資料統(tǒng)計得到近三年犀牛腳鹽場年平均風(fēng)速值。

選擇合適的風(fēng)機是果園減少能耗的關(guān)鍵，果園每月耗電約1000度。四個主要用電器都離安裝點B較近，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，分別發(fā)電并配合電網(wǎng)補充果園用電器的電能消耗。結(jié)合果園風(fēng)況特征及當(dāng)前風(fēng)電機組的制造水平、技術(shù)成熟度、目前的供貨能力及風(fēng)電機組負載能力，我們選擇江蘇乃爾風(fēng)力發(fā)電機NE—20k，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。

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。

參考文獻：

[1]文賢馗，肖永，林呈輝，徐梅梅.貴州高原山區(qū)空氣密度對風(fēng)電功率影響研究[J].中國電力，2014，47（07）：101-103.

指導(dǎo)教師：周小珠，北部灣大學(xué)。