平原和山地風(fēng)電場宏微觀選址設(shè)計探究

馬朝利

（中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司河南分公司，鄭州 450000）

1 風(fēng)電場宏觀選址程序

風(fēng)電場是風(fēng)力發(fā)電的主要載體，發(fā)電廠宏觀選址的可靠性關(guān)系著該區(qū)域風(fēng)力發(fā)電方案的可行性，對挖掘該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)潛力意義重大。風(fēng)電場宏觀選址程序主要包括以下內(nèi)容：

1）依據(jù)國家調(diào)查數(shù)據(jù)中風(fēng)能的分布，選擇風(fēng)力資源豐富的區(qū)域作為風(fēng)電場選址的候選區(qū)域。但是為滿足風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)行的基本要求，該區(qū)域在具有充足風(fēng)力資源的同時，區(qū)域面積、地貌、地形均應(yīng)符合風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)開發(fā)的相關(guān)需求。

2）勘察、篩選所有候選區(qū)域，選擇發(fā)展空間大、開發(fā)前景良好的區(qū)域，除去基礎(chǔ)的氣象學(xué)因素，風(fēng)電場選址時可參考的信息指標(biāo)還包括交通、網(wǎng)絡(luò)、通信等內(nèi)容。分析候選區(qū)域的氣象因素時，相關(guān)人員需重點(diǎn)分析氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率，以及氣象因素影響下該區(qū)域建設(shè)風(fēng)電場的可行性。

3）通過基礎(chǔ)的考察，初步完成風(fēng)電場宏觀選址工作后，應(yīng)具體分析該區(qū)域建設(shè)風(fēng)電場的可靠性。（1）相關(guān)人員應(yīng)借助實(shí)地測風(fēng)獲取精準(zhǔn)的風(fēng)力資源測試數(shù)據(jù)，然后根據(jù)完整、準(zhǔn)確的測風(fēng)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地估算該區(qū)域布設(shè)風(fēng)力發(fā)電裝置后的實(shí)際發(fā)電能力，如每年、每月的發(fā)電量[1]。（2）依據(jù)該區(qū)域的風(fēng)力資源特點(diǎn)，匹配符合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能特征的發(fā)電機(jī)組，隨后針對風(fēng)電場的選址，設(shè)計風(fēng)電場的建設(shè)工程，并進(jìn)行工程預(yù)算；同時確定該區(qū)域風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間可能會對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)產(chǎn)生的影響，全方位地評估風(fēng)電場選址的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 風(fēng)電場微觀選址設(shè)計思路

1）制作初步的微觀選址方案。風(fēng)電場測風(fēng)、地形圖測試等宏觀選址工作結(jié)束后，還應(yīng)采集可研究的選址資料，如當(dāng)?shù)貧庀笳精@取的氣象信息、測風(fēng)塔測試出的詳細(xì)數(shù)據(jù)、地形圖等。隨后組織專業(yè)的勘測人員調(diào)查場址現(xiàn)場，對比資料與實(shí)際情況的差異，修正部分測風(fēng)數(shù)據(jù)，深入分析布設(shè)場址內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝配條件，初步確定機(jī)位。之后，相關(guān)人員根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位平面設(shè)計圖完成風(fēng)機(jī)運(yùn)輸，根據(jù)試安裝的初步設(shè)計方案確定場址內(nèi)的道路路徑，為風(fēng)機(jī)的初次吊裝打好基礎(chǔ)[3]。

2）場址內(nèi)的機(jī)位設(shè)計。（1）專業(yè)的選址人員應(yīng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的供應(yīng)廠商、項目業(yè)主、風(fēng)電場設(shè)計人員，以及土建、地質(zhì)勘測相關(guān)的專業(yè)人士共同到現(xiàn)場勘測場址內(nèi)各區(qū)域的機(jī)位點(diǎn)。（2）布設(shè)定位樁、GPS裝置，標(biāo)記風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)位，并用相機(jī)、錄像裝置記錄周圍機(jī)位與環(huán)境，詳細(xì)評估機(jī)位的合理性。（3）確定機(jī)位后，設(shè)計場址內(nèi)的道路路徑及發(fā)電機(jī)組的吊裝平臺，同時復(fù)核風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的荷載、其他參數(shù)，靈活調(diào)整機(jī)組安裝位置。（4）全場勘測完畢后，及時調(diào)整、剔除不合理的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)位，并將修訂后的安裝方案提供給場址區(qū)域的國土職能部門、林業(yè)部門核查，待其審批后完成機(jī)位坐標(biāo)表。

3）完成微觀選址設(shè)計方案?；陲L(fēng)電場微觀選址過程中的所有數(shù)據(jù)結(jié)果編制微觀選址設(shè)計方案，生成微觀選址報告。報告完成后需交給風(fēng)電場建設(shè)項目的業(yè)主，使其組織相關(guān)專業(yè)人士審查該報告，提出修改建議；設(shè)計人員應(yīng)及時修訂選址設(shè)計報告，直至業(yè)主無異議。

3 平原風(fēng)電場的微宏觀選址設(shè)計

3.1 微觀選址

3.1.1 布置測風(fēng)塔

對于平原風(fēng)電場的微觀選址設(shè)計，布置測風(fēng)塔是核心工作。通常情況下，風(fēng)場中心半徑5 km范圍內(nèi)，若地形之間的高度差小于50 m，則代表該類風(fēng)電場屬于“平原風(fēng)電場”。平原風(fēng)電場微觀選址設(shè)計中，設(shè)計人員需在場址區(qū)域內(nèi)的相同地形高度上測試風(fēng)速，確定風(fēng)速均勻分布后，將測風(fēng)塔安裝在該區(qū)域的中心位置。具體安裝平原風(fēng)電場測風(fēng)塔時，還應(yīng)同時注意周圍地面建筑體和地質(zhì)條件，在不影響測風(fēng)塔基本性能的前提下，可適當(dāng)調(diào)整測風(fēng)塔位置。

3.1.2 微觀選址注意事項

1）平原風(fēng)電場現(xiàn)場微觀選址時，設(shè)計人員應(yīng)確保場址內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位置與場址地形圖上的位置保持一致，機(jī)位點(diǎn)位置的誤差應(yīng)控制在最小范圍內(nèi)，以此保證機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，設(shè)計人員在實(shí)際選址時，應(yīng)借助專業(yè)的測繪儀器確定現(xiàn)場的機(jī)位點(diǎn)。

2）地勢平坦是平原風(fēng)電場的特征之一，但平坦的地勢會使場址內(nèi)可能包含農(nóng)田、居住地，以及區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的集電線路。為此，設(shè)計人員在微觀選址設(shè)計時，應(yīng)在選擇可布置機(jī)位點(diǎn)的前提下，備選大概3個機(jī)位，從而在場址內(nèi)出現(xiàn)限制性因素后，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組量的充足。

3）平原風(fēng)電場微觀選址設(shè)計時，設(shè)計人員在應(yīng)用測風(fēng)塔測量場址內(nèi)風(fēng)能質(zhì)量、風(fēng)速等基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，仍需了解該區(qū)域風(fēng)能資源的分布情況，并綜合考慮區(qū)域內(nèi)土地使用情況、環(huán)境變化、電力裝置等客觀因素，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝時的機(jī)位點(diǎn)附近的障礙物。與此同時，微觀選址設(shè)計期間，設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)與風(fēng)電場項目開發(fā)商的溝通，詳細(xì)了解其建設(shè)風(fēng)電場的總目標(biāo)、基本要求，對于選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組型號、開發(fā)道路、運(yùn)輸核心設(shè)備等基礎(chǔ)工作，應(yīng)與項目開發(fā)商溝通、確認(rèn)后實(shí)施。

3.2 宏觀選址

平原風(fēng)電場宏觀選址設(shè)計中，評價風(fēng)電場場址的風(fēng)能資源是選址的基礎(chǔ)工作。設(shè)計人員需初步計算候選場址的最大風(fēng)速、風(fēng)切變、平均風(fēng)速等參數(shù)，模擬場址風(fēng)速頻率的實(shí)際分布情況。具體計算時可借助韋伯分布函數(shù)計算各個風(fēng)速的發(fā)生概率，計算公式為：

式中，f（V）為場址內(nèi)的風(fēng)速概率密度分布函數(shù)；K、C為韋伯分布函數(shù)的兩個重要參數(shù)，C通常為尺度參數(shù)，K為形狀參數(shù)；V為風(fēng)場模擬風(fēng)速。

獲得上述參數(shù)后，設(shè)計人員可應(yīng)用STRM、NCEP數(shù)據(jù)分析場址內(nèi)的風(fēng)力資源情況，該數(shù)據(jù)的使用原理是風(fēng)電場的氣象資料、地形信息等基本數(shù)據(jù)能夠在數(shù)據(jù)軟件的支持下，計算候選場址的韋伯分布函數(shù)值，設(shè)計人員可按照該數(shù)值判斷場址各個區(qū)域的風(fēng)力資源分布情況，確定最終的開發(fā)區(qū)域；然后，設(shè)計人員還可利用該數(shù)據(jù)估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量、微觀選址時的測風(fēng)位置。風(fēng)場風(fēng)力資源估算流程如圖1所示。

4 山地風(fēng)電場的微宏觀選址設(shè)計

4.1 宏觀選址

山地風(fēng)電場的地形通常為隆升地形，該類地形會使一定區(qū)域內(nèi)的氣流運(yùn)動速度增加，山脊峰頂處的氣流速度最高。因此，在建設(shè)山地風(fēng)電場時，為有效開發(fā)、利用該區(qū)域的風(fēng)能資源，需要將分機(jī)安裝在脊峰處。宏觀選址過程中，設(shè)計人員可直接將測風(fēng)塔安裝在脊峰處，獲取該區(qū)域的風(fēng)速、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速等參數(shù)，對比分析不同備選場址的風(fēng)力資源，選擇風(fēng)力資源充足的場址作為風(fēng)電場的開發(fā)區(qū)域。

4.2 微觀選址設(shè)計

安裝測風(fēng)塔同樣是山地風(fēng)電場微觀選址設(shè)計的重要內(nèi)容，設(shè)計人員在宏觀選址結(jié)束后，可在不同場址內(nèi)的山脊上布設(shè)1~2個測風(fēng)塔。對于氣象條件較為特殊，且風(fēng)力發(fā)電需求量大的地方，可適當(dāng)增加測風(fēng)塔，比如，湖南、云南、四川、廣東等地區(qū)存在特殊氣候，測風(fēng)塔的數(shù)量、規(guī)格、基本性能均應(yīng)符合當(dāng)?shù)氐臍庀蟓h(huán)境要求。

另外，山地地形非常復(fù)雜的風(fēng)電場場址，設(shè)計人員將風(fēng)機(jī)點(diǎn)位設(shè)置在山脊線上時，還應(yīng)使用更專業(yè)的評估軟件建立包括山地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量系數(shù)、功率曲線、排布情況等參數(shù)的數(shù)據(jù)模型，直觀地呈現(xiàn)山地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝后的發(fā)電量。

山地風(fēng)電場微觀選址設(shè)計中，常用的軟件有WingPro、WAsP、Metodyn WT等，其中，Metodyn WT的基本原理是流體力學(xué)，可以詳細(xì)地模擬不同空間中的風(fēng)流，能夠幫助設(shè)計人員在選址中準(zhǔn)確地分析復(fù)雜山地地形的風(fēng)力資源，見表1。

表1 某山地風(fēng)電場風(fēng)速模擬成果表

4.3 山地風(fēng)電場微觀設(shè)計要點(diǎn)

建設(shè)山地風(fēng)電場時，微觀選址設(shè)計工作是風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。設(shè)計人員需要準(zhǔn)確地分析候選場址的風(fēng)力資源，并通過實(shí)地勘測、數(shù)據(jù)估算、風(fēng)速模擬等方式，科學(xué)地進(jìn)行山地風(fēng)電場的微觀選址設(shè)計工作。編制山地風(fēng)電場微觀選址設(shè)計方案時，應(yīng)注意控制場址內(nèi)尾流對風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量的不利影響，同時根據(jù)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分布設(shè)計，將機(jī)組后尾的湍流強(qiáng)度控制在合理范圍內(nèi)。除此之外，由于微觀選址設(shè)計方案會直接影響后期風(fēng)電場的基本運(yùn)維、基本效益，所以，完成微觀選址設(shè)計方案時，還應(yīng)注意以下問題：

1）確保風(fēng)速模擬模型的適用性、實(shí)用性。模擬山地風(fēng)電場風(fēng)流時，選址人員還應(yīng)綜合分析山地地形，了解基礎(chǔ)的項目數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)山地高程、大氣穩(wěn)定度及地形粗糙度相關(guān)的文件要求，因地制宜地選擇可應(yīng)用的模擬軟件。

2）對于復(fù)雜的山地風(fēng)電場場址，風(fēng)速模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性會受到影響，所以，需要現(xiàn)場確認(rèn)各項參數(shù)。比如，對于山地風(fēng)電場的背風(fēng)坡、陡坡上的風(fēng)流，還需現(xiàn)場確認(rèn)、測試、勘察后估算風(fēng)力資源，借此確保風(fēng)速模擬后各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為設(shè)計人員選址提供有效的參考數(shù)據(jù)。

3）布設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，山地風(fēng)電場可能會存在部分機(jī)組分布較廣、發(fā)電量低的情況，對此，相關(guān)人員應(yīng)提前測算該機(jī)組的單機(jī)效益，分析其盈利水平，隨后在滿足開發(fā)商盈利要求的情況下，靈活地調(diào)整機(jī)組位置，使其安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，為山地風(fēng)電場創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)、社會價值。

5 結(jié)語

綜上所述，為推動我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有效開發(fā)風(fēng)力資源，相關(guān)部門在建設(shè)風(fēng)電場時，應(yīng)嚴(yán)格把控風(fēng)電場的宏觀、微觀選址設(shè)計工作，同時配合政府部門的規(guī)劃，選擇風(fēng)力能源充足、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝可行性較高的場址。具體選址過程中，還應(yīng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件，準(zhǔn)確地獲取候選場址內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)量，突出風(fēng)電場宏觀選址、微觀選址的基本優(yōu)勢，節(jié)約風(fēng)電場項目開發(fā)成本，建設(shè)符合滿足社會能源控制及社會利用要求的風(fēng)力發(fā)電場。