多因素影響下的風(fēng)機閃爍光影分析與應(yīng)用

裴煥金，李永亮，楊 昆，郭 斌

(1.浙江運達風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310000)

在“碳達峰，碳中和”的時代背景下，風(fēng)力發(fā)電作為一種利用率較高的可再生能源而得到了快速發(fā)展[1]。隨著風(fēng)機逐漸遍布我國大江南北，風(fēng)機對周邊環(huán)境的影響也日益暴露，并逐漸引起人們的關(guān)注，其中風(fēng)機閃爍光影影響是風(fēng)機產(chǎn)生的一種較為嚴重的污染[2]。閃爍光影投在公路上，會對駕駛產(chǎn)生干擾；投在居民點，會對人的視覺和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響等[1,3]。因此，精準評估風(fēng)機光影對周邊環(huán)境的影響，并利用風(fēng)機光影長度和風(fēng)機與敏感點之間的角度，合理減小甚至避免敏感點風(fēng)機閃爍光影影響，已經(jīng)成為風(fēng)電場能否成功建設(shè)和運行的前提條件。

目前，已有學(xué)者粗略地計算了風(fēng)機北側(cè)光影影響。文獻[4-6]闡述了風(fēng)機光影計算原理，論述了前期評估風(fēng)機光影的重要性。文獻[7]指出了僅以冬至日正午時風(fēng)機光影長度作為影響范圍半徑的不合理性。文獻[8]分析了以冬至日風(fēng)機光影影響代表全年影響的原因，計算了風(fēng)機光影影響的范圍和長度。文獻[9]基于ArcGIS軟件，對風(fēng)機光影進行定量計算，并在平面圖上反映風(fēng)機光影的時空特征，便于風(fēng)電場微觀選址。文獻[10]改進了風(fēng)機光影計算的方法，分析了冬至日風(fēng)機光影對北側(cè)影響的最大范圍。大部分學(xué)者集中分析了冬至日風(fēng)機葉片運行至最高點產(chǎn)生的光影影響(以最大光影長度為半徑，圈定風(fēng)機北側(cè)的半圓為風(fēng)機光影影響范圍)，未考慮我國部分城市位于南北回歸線之間，風(fēng)機在南側(cè)也有光影影響；沒有分析風(fēng)機實際運行時風(fēng)速過小或過大導(dǎo)致的停機等因素的影響，也沒有研究風(fēng)機運行時合理避免閃爍光影影響敏感點的措施。

為了計算風(fēng)機實際運行情況下閃爍光影對周圍敏感點的影響，本文建立了考慮風(fēng)速、風(fēng)向和輻照強度等約束影響下的風(fēng)機閃爍光影逐時計算模型，分析了位于南北回歸線之間風(fēng)機的閃爍光影對敏感點的影響(計算了風(fēng)機葉片運行至最高點和最低點產(chǎn)生的閃爍光影對風(fēng)機南北側(cè)的影響)，透析了不同緯度下風(fēng)機產(chǎn)生光影影響角度和光影長度的特點。通過案例計算獲得的風(fēng)機閃爍光影影響角度和光影長度，剖析了避免光影對敏感點產(chǎn)生影響的措施。

1 光影模型

地球自西向東自轉(zhuǎn)，太陽在南北回歸線之間運動，且東升西落。風(fēng)機位于太陽北側(cè)時，風(fēng)機對北部區(qū)域有光影影響；風(fēng)機位于太陽南側(cè)時，風(fēng)機對南部有光影影響。通常風(fēng)電機組的光影影響范圍取決于太陽方位角和高度角。太陽方位角決定風(fēng)機光影的投射方位；太陽高度角決定風(fēng)機光影的長度。

我國位于北半球，冬至日太陽高度角最小，太陽照射產(chǎn)生的光影最長，但太陽高度角越小，太陽輻射強度就越小，風(fēng)機光影影響越弱。我國各地區(qū)冬至日日出和日落時間不同，選取每日上午9時至下午15時為風(fēng)機光影影響時段較為合理。

1.1 光影角度

光影影響角度為太陽在上午9時和下午15時走過角度的反向夾角。太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與正南方的夾角。太陽方位角計算公式如下：

cosA=(sinh×sinφ-sinδ)/(cosh×cosφ)

(1)

式中：h為太陽高度角；φ為觀測地緯度；δ為赤緯角。

太陽高度角的計算公式為

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(2)

式中，t為時角。

太陽赤緯角是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角。赤緯角是由于地球繞太陽運行造成的現(xiàn)象，以年為周期，在+23°26.5′與-23°26.5′之間移動。赤緯角計算公式如下：

δ=23.45sin[360×(284+N)/365]

(3)

其中，N為日數(shù)，自每年1月1日開始計數(shù)。

時角為單位時間內(nèi)地球自轉(zhuǎn)的角度，規(guī)定上午時角為負值，正午時角為0°，下午時角為正值。計算公式如下：

t=15(n-12)

(4)

其中，n為每天小時數(shù)。

1.2 光影長度

光影影響距離是指風(fēng)電機組產(chǎn)生光影的長度，計算公式如下：

L=D/tanh

(5)

式中：L為風(fēng)電機組影子長度；D為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至最高點時的風(fēng)機高度；h為太陽高度角。

2 閃爍光影模型

靜止的光影不會對環(huán)境造成較為嚴重的污染，如樹影。僅閃爍光影會影響人和動物等神經(jīng)系統(tǒng)。風(fēng)機閃爍光影是指風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的光影。風(fēng)機閃爍光影是否影響敏感點，受到太陽高度角、風(fēng)機和敏感點之間相對位置、風(fēng)輪的迎風(fēng)方向等因素限制。下面建立不同約束條件下風(fēng)機閃爍光影模型。

1)使用第2節(jié)光影模型計算風(fēng)機旋轉(zhuǎn)至最高點和最低點光影長度和方位角。

2)從風(fēng)機光影角度出發(fā)。風(fēng)機在1 d中僅能對一定角度內(nèi)的敏感點造成影響，如北回歸線以北的風(fēng)機僅對機位點北側(cè)的一個固定角度內(nèi)的敏感點產(chǎn)生影響。

3)從風(fēng)機光影長度出發(fā)(考慮葉片安裝傾角)。僅風(fēng)機形成閃爍光影的方式滿足下列兩種情況，才能對敏感點造成閃爍光影的影響，如圖1所示。①葉片旋轉(zhuǎn)至最高點TH產(chǎn)生光影超過A點，葉片旋轉(zhuǎn)至最低點TL產(chǎn)生的光影未超過A點(AB為敏感點長度)。②TH產(chǎn)生光影超過A點，TL產(chǎn)生的光影超過A點，未超B點。

圖1 閃爍光影影響范圍

4)從風(fēng)向條件出發(fā)。風(fēng)機要隨著需求偏航迎風(fēng)或避風(fēng)，產(chǎn)生的光影也在移動，計算每個風(fēng)向下風(fēng)機光影影響。

5)從風(fēng)速條件出發(fā)。以風(fēng)機的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速為約束，篩選代表年中滿足條件的風(fēng)速對應(yīng)時間點。

6)從輻照強度條件出發(fā)。輻射強度較小時，不會產(chǎn)生光影影響，篩選典型年輻照強度較大的時間點。

在上述約束條件限制下，該光影計算模型能模擬出風(fēng)機實際運行條件下產(chǎn)生的閃爍光影影響結(jié)果。

3 案例分析

3.1 模型計算

本文使用我國南部某地區(qū)分散式風(fēng)電場項目1臺風(fēng)機作為案例進行分析。機位點坐標如表1所示(下文中平面坐標均為CGCS2000)，敏感點坐標如表2所示，敏感點為散居的居民點，機位點和敏感點位置如圖2所示，機位點和敏感點的直線距離如表3所示。該地區(qū)典型年逐時風(fēng)速如圖3所示。

表1 機位點坐標

表2 敏感點坐標 m

圖2 機位點和敏感點位置

表3 機位點和敏感點之間距離 m

圖3 典型年逐時風(fēng)速

由于該項目處于南北回歸線之間，全年內(nèi)風(fēng)機在機位點南北方向均有投影。①當赤緯角小于當?shù)鼐暥葧r，風(fēng)機光影主要投射在機位點北側(cè)。計算獲得冬至日風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)至最低點和最高點的閃爍光影長度和角度如圖4所示；②當赤緯角大于當?shù)鼐暥葧r，風(fēng)機光影主要投射在機位點南側(cè)，計算獲得夏至日風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)至最低點和最高點的閃爍光影長度和角度如圖5所示。圖中葉片旋轉(zhuǎn)至最高點和最低點的光影長度差值即為風(fēng)機的閃爍光影長度，以正東方向為零度線，逆時針旋轉(zhuǎn)所夾角度為橫坐標。本文模型和WindPro軟件計算獲得的全年光影影響時長如表4所示，計算模型(本文模型僅計算葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的閃爍光影)和框選敏感點的方式不同造成了一定的誤差(光影在不同位置影響距離和影響時長的誤差)，但相對全年總時長，誤差較小，故認為本文模型是正確的(后期增加測量實驗)。

表4 光影影響時長 h

圖4 冬至日光影長度

從全年光影計算結(jié)果中可以看出，冬至日風(fēng)機光影僅能囊括風(fēng)機對機位點北側(cè)部分角度內(nèi)的影響，夏至日風(fēng)機光影僅可以囊括風(fēng)機對機位點南側(cè)部分角度內(nèi)的影響，全年風(fēng)機閃爍光影覆蓋機位點四周。從圖4中可以看出，冬至日風(fēng)機閃爍光影較長，影響角度較?。惶枏哪匣貧w線運行至當?shù)鼐暥绕陂g，光影角度逐漸增大，光影長度逐漸減小。從圖5中可以看出，夏至日閃爍光影長度較短，但影響角度較大，太陽從當?shù)鼐暥冗\行至北回歸線期間，光影角度逐漸減小，光影長度逐漸增大。赤緯角和當?shù)鼐暥炔钪翟酱髸r，風(fēng)機光影影響角度越小，光影長度越大；反之，風(fēng)機光影影響角度越大，光影長度越小。因此，可以利用風(fēng)機產(chǎn)生的閃爍光影影響角度和影響長度，平移風(fēng)機，避免風(fēng)機對機位點南側(cè)和北側(cè)產(chǎn)生的閃爍光影影響。

圖5 夏至日光影長度

3.2 約束折減

Step 1：風(fēng)向篩選，該地區(qū)典型年風(fēng)向頻率如表5所示。根據(jù)敏感點受影響角度范圍，篩選受風(fēng)機閃爍光影影響的風(fēng)頻區(qū)間，篩選風(fēng)向作用下風(fēng)機產(chǎn)生閃爍光影影響的時間點。

表5 風(fēng)向頻率

Step 2：風(fēng)速篩選，尋找風(fēng)機正常運行情況下有光影影響的時間點，本文僅搜尋全年風(fēng)速在[3，25]區(qū)間內(nèi)的時間點，1表示真，0表示假，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 風(fēng)速篩選點

Step 3：輻照強度篩選，搜尋全年輻照度大于120 W/m2的時間點。該地區(qū)全年輻照時長約為1 500 h，折合至每天約為4.1 h。

經(jīng)過上述三個約束條件篩選后，全年風(fēng)機對4個敏感點閃爍光影影響時長如表6所示，從表中可以看出，未考慮約束前計算獲得的風(fēng)機閃爍光影影響時長比風(fēng)機實際運行中產(chǎn)生的光影影響時長偏大，本文考慮多因素約束下的光影計算模型也更為準確。

表6 折減后光影影響時長 h

3.3 實際應(yīng)用

本文案例中風(fēng)機對機位點南側(cè)敏感點無影響(該緯度下風(fēng)機在南側(cè)產(chǎn)生的光影長度較小)，故只需通過調(diào)整風(fēng)機位置，使風(fēng)機閃爍光影也不影響北側(cè)敏感點即可。根據(jù)案例計算結(jié)果可知，風(fēng)機在北側(cè)的閃爍光影長度由正北向東和西方向先增大后減小。本文可平移機位至一個敏感點M3/M4正南方向，相對另一個敏感點M4/M3偏向正東或正西方向，使得風(fēng)機對2個敏感點方位光影長度較小。如把JWD1移至JWD位置處，如圖7所示，平移后的機位點和各敏感點之間的距離如表7所示。使用本文模型計算顯示，平移后風(fēng)機不對敏感點產(chǎn)生閃爍光影影響。因此，針對不同緯度產(chǎn)生的光影影響角度和光影長度不盡相同的特點，向不同方向略微平移風(fēng)機位置，可以合理避免風(fēng)機對敏感點產(chǎn)生閃爍光影影響。

表7 平移后風(fēng)機和敏感點之間距離 m

圖7 移動后的機位點

4 結(jié) 語

本文建立了考慮風(fēng)速、風(fēng)向和輻照強度等因素影響下的風(fēng)機閃爍光影計算模型，計算了風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的閃爍光影對周圍敏感點的影響(閃爍頻率約0.003 06 Hz)，包括太陽運動至風(fēng)機北側(cè)，對風(fēng)機南側(cè)敏感點的閃爍光影影響。獲得了多種因素約束下風(fēng)機對敏感點產(chǎn)生的閃爍光影影響時長為29 h，比考慮約束前減少了49 h，精細化了風(fēng)機閃爍光影計算模型，提高了風(fēng)機閃爍光影計算精度。

根據(jù)風(fēng)機閃爍光影對南北側(cè)敏感點影響角度和影響長度的特點(風(fēng)機位于不同緯度時，風(fēng)機產(chǎn)生的光影影響角度和光影長度大不相同)，分析了減小風(fēng)機閃爍光影影響的措施：①風(fēng)機機位點光影影響角度較小時，可通過東西移動風(fēng)機位置，使得敏感點不在風(fēng)機光影影響的角度范圍內(nèi)；②風(fēng)機機位點光影長度較小時，可通過南北移動風(fēng)機位置，使得敏感點不在風(fēng)機光影影響的長度范圍內(nèi)。該措施為避免風(fēng)機閃爍光影影響敏感點提供合理依據(jù)，便于風(fēng)電場微觀選址時優(yōu)化風(fēng)機排布。