某山地風(fēng)電場建設(shè)前后發(fā)電量損失研究

徐 權(quán),陳如玉

(1.國家電投集團(tuán)甘肅電力有限公司,甘肅 蘭州 730070;2.昆明電纜集團(tuán)昆電工電纜有限公司,云南 昆明 650503)

0 引言

隨著我國“雙碳目標(biāo)”的提出,新一輪能源改革即將開展[1],風(fēng)電作為最重要的清潔能源之一,在能源大變革中承擔(dān)著重要作用。2021年,全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)4757萬kW,其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)3067萬kW、海上風(fēng)電新增裝機(jī)1690萬kW。由新增裝機(jī)分布可知,中東部和南方地區(qū)占比約61%,“三北”地區(qū)占比約39%,風(fēng)電開發(fā)布局進(jìn)一步優(yōu)化。到2021年底,全國風(fēng)電累計裝機(jī)3.28億kW,其中陸上風(fēng)電累計裝機(jī)3.02億kW、海上風(fēng)電累計裝機(jī)2639萬kW[2]。

風(fēng)電場選址的基本條件是有豐富的風(fēng)資源,風(fēng)向相對穩(wěn)定,風(fēng)速變化不大。很多優(yōu)質(zhì)、處于平坦地形的風(fēng)電場已經(jīng)開發(fā)完畢,項目開始逐漸向復(fù)雜山地、海上風(fēng)電開發(fā)[3]。由于山地海拔高、山脊山谷等地形特征使大氣邊界層產(chǎn)生擾流等因素,判斷其風(fēng)資源準(zhǔn)確度更加困難,還會影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和安全性,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)壽命縮短,風(fēng)力機(jī)發(fā)電量也會受到影響[4]。綜上所述,準(zhǔn)確計算、預(yù)估風(fēng)力機(jī)的發(fā)電量具有重要意義,對于山地風(fēng)電項目的可行性具有指導(dǎo)作用。

近年來,隨著風(fēng)電越來越受到世界各國重視,關(guān)于復(fù)雜山地的數(shù)值模擬越來越豐富。Jackson和Hunt在Wasp軟件基礎(chǔ)上提出了用于一定坡度的線性模型,此模型可更好模擬湍流流動,提高模擬準(zhǔn)確性[5];Bowen和Lindley對于復(fù)雜地形的坡度進(jìn)行研究[6];在國內(nèi),許昌采用概率密度算法算出風(fēng)電場的輸出功率,并結(jié)合風(fēng)向和風(fēng)速的離散性,準(zhǔn)確預(yù)測了復(fù)雜地形中風(fēng)力機(jī)尾流損失[7];田琳琳提出一種關(guān)于模擬復(fù)雜地形風(fēng)電場內(nèi)尾流效應(yīng)的壓力降方法,研究發(fā)現(xiàn)山地地形相較于平坦地形風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化布置和發(fā)電效率更有利[8-10]。

同時,與風(fēng)資源評估的相關(guān)軟件也得到快速發(fā)展。美國MesoMap軟件是一個非靜力中尺度數(shù)值模擬線性模式相結(jié)合的風(fēng)資源評估系統(tǒng);丹麥Wasp軟件對于平坦地形風(fēng)資源評估在世界得到普遍認(rèn)可,是目前世界上應(yīng)用最廣泛的風(fēng)資源評估軟件;在復(fù)雜地形風(fēng)資源評估中,法國Meteodyn WT軟件是采用CFD模擬,在不同大氣邊界層條件下求解流體動力學(xué)方程的一個風(fēng)資源評估軟件,是在國內(nèi)目前風(fēng)電場前期選址、風(fēng)力機(jī)布置、發(fā)電量計算及后期評估中預(yù)測接近實際的一款軟件。

在山地風(fēng)電場建設(shè)過程中,由于山體一般較陡峭,導(dǎo)致現(xiàn)場施工及吊裝無法進(jìn)行,需要進(jìn)行削減山頭形成吊裝平臺,以滿足現(xiàn)場施工需要。本文主要研究吊裝平臺造成風(fēng)力機(jī)海拔高度降低,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)發(fā)電量損失的情況。

1 風(fēng)電場概述

河北省某山地風(fēng)電場通過對遙感地圖進(jìn)行分析與實際地形勘測,發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)山體走向與構(gòu)造線基本保持一致,總體呈現(xiàn)西北走勢。

該風(fēng)電場風(fēng)力資源較為豐富,測風(fēng)塔1號與2號在105 m高的風(fēng)速分別為5.88 m/s和5.95 m/s,年平均風(fēng)功率密度分別為225 W/m2和289 W/m2,大部分地區(qū)的風(fēng)功率等級為2級,場址的風(fēng)向和風(fēng)能穩(wěn)定,主要集中在正北和西南,主風(fēng)向明顯。該風(fēng)電場計劃建立5臺GW171-4MW機(jī)組,容量為20 MW,輪轂高105 m。該風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)機(jī)位分布如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)機(jī)位分布

該風(fēng)電場建設(shè)過程中,每臺風(fēng)力機(jī)安裝需要吊裝平臺進(jìn)行施工,受吊裝平臺影響,風(fēng)力機(jī)海拔高度有不同程度降低,B09機(jī)位降低9.00 m,B13機(jī)位降低7.80 m,BF15機(jī)位降低11.40 m,BZ01機(jī)位降低7.90 m,BZ05機(jī)位降低10.60 m。

2 發(fā)電量損失研究

2.1 連續(xù)性方程與運(yùn)動方程

本文基于CFD數(shù)值模擬方法對山地風(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)行模擬,CFD可以根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律進(jìn)行模擬求解,其求解思想為將集合區(qū)域劃分為很小的立方體空間,并對其進(jìn)行復(fù)雜的偏微分方程求解。

假設(shè)在給定空間與時間的任意一點處的風(fēng)速是由平均風(fēng)速(隨時間變化很慢)與隨機(jī)分量(隨時間變化很快)疊加而成,瞬時風(fēng)速分量為

(1)

將式(1)代入連續(xù)性方程,可得出平均風(fēng)流速方程為

(2)

流體在流動過程中需要滿足質(zhì)量守恒定律,即單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量增加,等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量,方程為

(3)

2.2 Meteodyn WT軟件求解方程

Meteodyn WT軟件在進(jìn)行求解時,湍流長度采用Yamada與Arritt的模型方法,考慮不同大氣熱穩(wěn)定度,可得出:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:LT為湍流長度;l為特征長度;Cu為湍流模型常數(shù),取0.09;z為高度;Rif為正態(tài)分布值;k為湍流動能,k=0.41;B1=16.6、l0=100 m。

湍流動能傳輸方程如式(8)、式(9)所示。

(8)

(9)

式中:ε為湍流耗散率;vT為湍流黏性系數(shù)。

湍流動能表示湍流速度的動能。

(10)

湍流黏性等于湍流動能的平方根與湍流長度的乘積。

(11)

2.3 建模計算

該風(fēng)電場面積較大,所有機(jī)位計算域半徑為9.023 km,采用ESA2000粗糙度。首先進(jìn)行定向計算,為了提升計算準(zhǔn)確性,最小分辨率為25 m,最小垂直分辨率為4 m,水平擴(kuò)展系數(shù)為1.1,最大迭代次數(shù)為25,分為12個扇區(qū)進(jìn)行計算。

定向計算完成后將加入測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù),進(jìn)行綜合計算。1號、2號測風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖如圖2所示,模擬風(fēng)電場輪轂處平均風(fēng)速如圖3所示,風(fēng)電場湍流強(qiáng)度如圖4所示。

(a)2號 (b)1號

圖3 風(fēng)電場輪轂處平均風(fēng)速

圖4 風(fēng)電場湍流強(qiáng)度

2.4 風(fēng)力機(jī)海拔高度對風(fēng)速的影響

風(fēng)電場建設(shè)前后風(fēng)力機(jī)海拔高度及風(fēng)力機(jī)輪轂處風(fēng)速如表1所示。

表1 風(fēng)電場建設(shè)前后風(fēng)力機(jī)海拔高度及風(fēng)速

根據(jù)現(xiàn)場實際測量,確定挖方量及風(fēng)力機(jī)海拔高度。風(fēng)電場建設(shè)前,BZ05機(jī)位海拔高度最高為1383.00 m;B13機(jī)位海拔高度最低為1289.80 m;5個機(jī)位海拔高度平均為1358.62 m。建成后,由于受吊裝平臺影響,海拔高度降低,其中BF15機(jī)位降低最大為11.40 m,降低后為1360.40 m;B13位降低最小為7.80 m,降低后為1282.00 m。5個機(jī)位平均降低約為9.34 m。

海拔高度降低,風(fēng)速也降低。其中,BF15機(jī)位風(fēng)速由建設(shè)前6.190 m/s降至建設(shè)后6.160 m/s,降低約為0.030 m/s,為5個機(jī)位降低程度最大;B13機(jī)位由建設(shè)前5.590 m/s降至建設(shè)后5.580 m/s;BZ01機(jī)位由建設(shè)前6.610 m/s降至建設(shè)后6.600 m/s,降低約為0.010 m/s;平均風(fēng)速由建設(shè)前6.382 m/s降至建設(shè)后6.364 m/s,降低約為0.018 m/s。主要原因為BF15機(jī)位海拔高度降低最大,而B13、BZ01機(jī)位海拔高度降低最小。

2.5 風(fēng)力機(jī)海拔高度對風(fēng)電場發(fā)電量影響

風(fēng)力機(jī)海拔高度降低后發(fā)電量損失情況如表2所示。由表2可知,在風(fēng)電場建設(shè)前后考慮尾流效應(yīng),BF15機(jī)位發(fā)電量每年損失約84.000 MWh,為5個機(jī)位中發(fā)電量損失最大;BZ01機(jī)位發(fā)電量每年損失約47.010 MWh,為5個機(jī)位中發(fā)電量損失最小;B09機(jī)位發(fā)電量每年損失約59.120 MWh;B13機(jī)位發(fā)電量每年損失約56.650 MWh;BZ05機(jī)位發(fā)電量每年損失約47.010 MWh;5個機(jī)位發(fā)電量每年損失約287.390 MWh,平均每個機(jī)位發(fā)電量每年損失約57.478 MWh。主要原因為BF15機(jī)位風(fēng)力機(jī)風(fēng)速降低影最大,其發(fā)電量損失最大;BZ01機(jī)位風(fēng)力機(jī)風(fēng)速降低最小,其發(fā)電量損失最小。

表2 海拔高度降低對發(fā)電量的影響

造成發(fā)電量損失的主要原因為山地風(fēng)電場建設(shè)過程中吊裝平臺的形成對風(fēng)力機(jī)海拔高度造成不同程度降低,風(fēng)力機(jī)海拔高度降低使風(fēng)力機(jī)輪轂處風(fēng)速降低,導(dǎo)致其發(fā)電量損失。隨著風(fēng)力機(jī)海拔高度降低越大,風(fēng)速降低也越大,發(fā)電量損失也越大。

2.6 風(fēng)電廠經(jīng)濟(jì)損失評估

根據(jù)國內(nèi)平價上網(wǎng)電價0.3078元/kWh進(jìn)行計算,該風(fēng)電場建成后每年損失電量為287 390 kWh,每年經(jīng)濟(jì)損失為88 458.642元,20年的經(jīng)濟(jì)損失為1 769 172.84元。

3 結(jié)論

a. 由于受吊裝平臺影響,風(fēng)力機(jī)海拔高度平均降低9.34 m、降低最大為11.40 m、最小為7.80 m。

b. 風(fēng)力機(jī)海拔高度降低使風(fēng)力機(jī)輪轂處風(fēng)速降低,風(fēng)力機(jī)風(fēng)速降低平均約為0.018 m/s、最大約為0.030 m/s、最小約為0.010 m/s。海拔高度降低越大,風(fēng)力機(jī)風(fēng)速降低越大。

c. 風(fēng)力機(jī)風(fēng)速降低導(dǎo)致發(fā)電量損失,發(fā)電量每年損失平均約為57.478 MWh、最大約為84.090 MWh、最小約為40.520 MWh、總損失約為287.390 MWh。

d. 受吊裝平臺影響,該風(fēng)電場在運(yùn)營期內(nèi)經(jīng)濟(jì)損失為1 769 172.84元,在后期山地風(fēng)電場項目建設(shè)時應(yīng)避免大幅削減山頭來形成吊裝平臺,以減少發(fā)電量損失,減少經(jīng)濟(jì)損失。