多因素影響下的風機閃爍光影分析與應用

裴煥金，李永亮，楊 昆，郭 斌

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

在“碳達峰，碳中和”的時代背景下，風力發(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]。隨著風機逐漸遍布我國大江南北，風機對周邊環(huán)境的影響也日益暴露，并逐漸引起人們的關注，其中風機閃爍光影影響是風機產(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，精準評估風機光影對周邊環(huán)境的影響，并利用風機光影長度和風機與敏感點之間的角度，合理減小甚至避免敏感點風機閃爍光影影響，已經(jīng)成為風電場能否成功建設和運行的前提條件。

目前，已有學者粗略地計算了風機北側(cè)光影影響。文獻[4-6]闡述了風機光影計算原理，論述了前期評估風機光影的重要性。文獻[7]指出了僅以冬至日正午時風機光影長度作為影響范圍半徑的不合理性。文獻[8]分析了以冬至日風機光影影響代表全年影響的原因，計算了風機光影影響的范圍和長度。文獻[9]基于ArcGIS軟件，對風機光影進行定量計算，并在平面圖上反映風機光影的時空特征，便于風電場微觀選址。文獻[10]改進了風機光影計算的方法，分析了冬至日風機光影對北側(cè)影響的最大范圍。大部分學者集中分析了冬至日風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，圈定風機北側(cè)的半圓為風機光影影響范圍)，未考慮我國部分城市位于南北回歸線之間，風機在南側(cè)也有光影影響；沒有分析風機實際運行時風速過小或過大導致的停機等因素的影響，也沒有研究風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，本文建立了考慮風速、風向和輻照強度等約束影響下的風機閃爍光影逐時計算模型，分析了位于南北回歸線之間風機的閃爍光影對敏感點的影響(計算了風機葉片運行至最高點和最低點產(chǎn)生的閃爍光影對風機南北側(cè)的影響)，透析了不同緯度下風機產(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。風機位于太陽北側(cè)時，風機對北部區(qū)域有光影影響；風機位于太陽南側(cè)時，風機對南部有光影影響。通常風電機組的光影影響范圍取決于太陽方位角和高度角。太陽方位角決定風機光影的投射方位；太陽高度角決定風機光影的長度。

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為風電機組影子長度；D為風輪旋轉(zhuǎn)至最高點時的風機高度；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)。風機閃爍光影是指風輪旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的光影。風機閃爍光影是否影響敏感點，受到太陽高度角、風機和敏感點之間相對位置、風輪的迎風方向等因素限制。下面建立不同約束條件下風機閃爍光影模型。

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

2)從風機光影角度出發(fā)。風機在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)從風機光影長度出發(fā)(考慮葉片安裝傾角)。僅風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)從風向條件出發(fā)。風機要隨著需求偏航迎風或避風，產(chǎn)生的光影也在移動，計算每個風向下風機光影影響。

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

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機實際運行條件下產(chǎn)生的閃爍光影影響結果。

3 案例分析

3.1 模型計算

本文使用我國南部某地區(qū)分散式風電場項目1臺風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 典型年逐時風速

由于該項目處于南北回歸線之間，全年內(nèi)風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，風機光影主要投射在機位點北側(cè)。計算獲得冬至日風機葉片旋轉(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，風機光影主要投射在機位點南側(cè)，計算獲得夏至日風機葉片旋轉(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

從全年光影計算結果中可以看出，冬至日風機光影僅能囊括風機對機位點北側(cè)部分角度內(nèi)的影響，夏至日風機光影僅可以囊括風機對機位點南側(cè)部分角度內(nèi)的影響，全年風機閃爍光影覆蓋機位點四周。從圖4中可以看出，冬至日風機閃爍光影較長，影響角度較??；太陽從南回歸線運行至當?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，風機光影影響角度越小，光影長度越大；反之，風機光影影響角度越大，光影長度越小。因此，可以利用風機產(chǎn)生的閃爍光影影響角度和影響長度，平移風機，避免風機對機位點南側(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：風向篩選，該地區(qū)典型年風向頻率如表5所示。根據(jù)敏感點受影響角度范圍，篩選受風機閃爍光影影響的風頻區(qū)間，篩選風向作用下風機產(chǎn)生閃爍光影影響的時間點。

表5 風向頻率

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

圖6 風速篩選點

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機閃爍光影影響時長比風機實際運行中產(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 實際應用

本文案例中風機對機位點南側(cè)敏感點無影響(該緯度下風機在南側(cè)產(chǎn)生的光影長度較小)，故只需通過調(diào)整風機位置，使風機閃爍光影也不影響北側(cè)敏感點即可。根據(jù)案例計算結果可知，風機在北側(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機位置，可以合理避免風機對敏感點產(chǎn)生閃爍光影影響。

表7 平移后風機和敏感點之間距離 m

圖7 移動后的機位點

4 結 語

本文建立了考慮風速、風向和輻照強度等因素影響下的風機閃爍光影計算模型，計算了風機葉片旋轉(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)，包括太陽運動至風機北側(cè)，對風機南側(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，精細化了風機閃爍光影計算模型，提高了風機閃爍光影計算精度。

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