浅析低风速平原地区风机位排布方案

引言

目前,我国并未对低风速进行严格定义。但是,根据能源行业标准《低风速风力发电机组选型导则》对低风速风力发电机组的相关定义(低风速风电机组是指适用于标准空气密度轮毂高度处代表年平均风速不高于6.5m/s、风功率密度不高于320w/m2风能资源条件下的风力发电机组）,定义低风速区为标准空气密度轮毂高度处代表年平均风速不高于6.5m/s、风功率密度不高于320w/m2的区域。

随着国内风电能源的逐步开发,在风能资源好、建设条件优的地区,风电开发基本达到饱和状态。同时,风力发电机组不断得到研发优化,使开发低风速地区成为风电开发的下一个目标。目前,全国可利用低风速区域占比约为60%～70%,且大部分地区接近电网负荷的受端地区。在低风速区域,由于风能资源的限制,风电场收益情况需要谨慎计算。其中,作为影响发电量因素之一的风机位排布就需要进一步优化。本文针对低风速平原风电场的风机位排布方案进行简要分析。

1风机位排布基本原则

针对风力发电机组的布置,要充分考虑各方面影响因素,归纳起来主要有以下几点:

(1）风力发电机组垂直于主导风能方向排列:

(2）充分利用风电场土地:

(3）尽量减小风力发电机组间的相互影响,满足风电机组间行距、列距要求:

(4）综合考虑风电场地形、地表粗糙度、障碍物等,将其影响降到最低:

(5）合理利用风电场测站订正后的测风资料:

(6）考虑风电机组间的相互影响后,尽量缩短机组间距离,从而减少场内道路、集电线路长度:

(7）尽量考虑应与周边风电场风电机组相互避让:

(8）考虑风机噪声对附近居民的影响:

(9）考虑风机与附近高压线、工厂、公路、铁路、坟地等保持一定的安全距离:

(10）尽量利用现有道路:

(11）充分考虑风电场征地指标等其他影响因素。

在低风速平原地区风电场,考虑上述排布方案的同时,还应将低风速风电场的特点进行综合考虑,并优化布机方案。

2低风速平原地区特点

2.1风速低

在低风速地区,风速低是其最大特点,然而风电场唯一获取能量的方式就是叶轮捕获风能。风速低,意味着发电量少,如何优化风机位排布是低风速平原地区风电场面临的一个挑战。

2.2风向集中

低风速平原地区风向相对比较集中,主导风向明显,且多为一个或相反的两个方向。对于风电场来说,风向集中有利于风能的捕获,同时还可以通过优化风机在主风向与非主风向上的间距,达到容量最优、发电量最佳的目的,以获得更高的收益。

2.3障碍物多

在平原地区,障碍物是机位选择、排布以及建场的一个比较困扰的因素。例如,河北某平原风电场,规划容量为100Mw,选用单机容量为3.0Mw的风力发电机组。

图1为拟开发风电场相对位置,其中黑线为场区内已建成的高压输电线路。同时,场区内有若干居民区,4条等级公路,1条省管禁用河道,若干坟墓等。在风机排布优化过程中,需要根据相关法律法规、当地风土人情等进行合理考虑,规划避让。

图1拟开发风电场相对位置

2.4环境敏感因素

目前,陆上风力发电机组近几年应用比较广泛的叶轮直径是140m及以上级别。同时,根据平原地区风切变偏高的特性,120～140m高的轮毂高度应用相对普遍。根据相关统计分析,190～210m高的风力发电机组在运行时会带来噪声污染,光影效应的影响很大。此外,在一定程度上还会小范围改变生态环境,影响鸟类等生物的生存。

3风机位排布解决方案

在低风速平原地区,发电量是一个风电场能否立项的关键因素。而更合理的风机位排布方案可以有效提高发电量,减少投资,增加收益。

针对低风速平原地区的特点,下面对风力发电机组的排布进行浅析。

3.1机型选择

在平原地区,风切变一般比较大,在0.2～0.35居多。在这种风切变下,使用大叶片、高轮毂的风力发电机组可以捕获更多的风能,提高发电量。但是,在推荐使用此类风机时应注意风机的适应性问题。比如,在拟建风电场的风况下风机的安全性是否满足标准:风机的噪声污染是否会对居民区造成影响,是否满足环评要求:还有地质、水位等方面。

3.2风机间距

在风机位布置过程中,根据传统布机方式,风机间距一般在主风向上按照叶轮直径的5～7倍,垂直主风向上按照叶轮直径的3～5倍考虑。但是在平原地区,主导风向明显,且多为一个或相反的两个方向。所以在保证风机安全性的前提下,在垂直主风向上,压缩风机间距至叶轮直径的2～3倍,可以在基本不影响风场发电量的同时有效节约风场占地面积。

风机排布紧凑的另一个优点是可以减少集电线路长度、场内道路长度,进而减少建设投资,获得更好的收益。

3.3微观选址

根据平原地区障碍物多的特点,前期风机位布置、现场踏勘就变得尤为重要,更加需要精细化。在前期风机位布置中,根据地形图、二维地图等工具对拟开发风电场的障碍物进行初步避让。之后的微观选址过程,应尽可能详细记录现场风机位周边情况,并进行避让以及反复优化。

微观选址过程中,在考虑现场障碍物的同时,还要注意土地属性、林业、生态等相关方面的避让。

3.4风机排布方案优化

在进行现场微观选址后,需对初步确定的风机位排布方案进行发电量计算。这也是微观选址后风机位排布方案优化的重要过程之一。

根据风机厂家提供的风机风场空气密度下的动态功率曲线,对风电场发电量和尾流进行初步计算,并针对计算结果,以最小尾流效应、最大发电量为目标,对风机位排布进行合理优化。

4结论

(1）低风速平原地区具有风速低、风向集中、障碍物多、敏感因素多等特点。

(2）根据低风速平原地区特点,应选择大叶片直径、高轮毂高度的风力发电机组。

(3）在低风速平原地区,应合理设置风机间距,同时做好前期风机位布置、微观选址现场记录等工作,以便对风机位排布方案进行优化。