侯燕梅 許文年 毛思禹 祝立群 張 成

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院,昆明 650051)

伴隨著能源危機和環(huán)境保護壓力的增大,風(fēng)能資源作為一種無污染的可再生新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?特別是對于我國東南沿海及其島嶼,邊遠山區(qū),地廣人稀的草原牧場等地區(qū),豐富的風(fēng)能可以作為解決生產(chǎn)和生活能源需求的一種可靠途徑.近幾年我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)高速發(fā)展,已躍升為世界風(fēng)能發(fā)電利用增長率最高的國家之一[1].從經(jīng)濟的可長遠發(fā)展眼光來看,對風(fēng)電場建設(shè)相關(guān)問題進行研究和分析具有現(xiàn)實的意義.

在風(fēng)電場的建設(shè)中,風(fēng)電場場址的選擇極為重要,它是風(fēng)電場建設(shè)的前提基礎(chǔ),場址選擇的質(zhì)量會直接影響到風(fēng)電場投運后的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.風(fēng)電場場址的選擇,受風(fēng)能資源評估、土地利用、交通條件、地形條件、地質(zhì)條件、電網(wǎng)條件等因素的綜合影響,加上區(qū)域所能利用的氣象資料缺乏,這些都使風(fēng)電場宏觀場址的選擇呈現(xiàn)復(fù)雜性.基于風(fēng)電場場址選擇所面臨的這一現(xiàn)實問題,本文通過對風(fēng)電場選址的影響因素、基本原則以及選址步驟3個方面進行初步探討,并結(jié)合工程實例進行了分析.

1 風(fēng)電場場址選擇

風(fēng)電場場址的選擇是風(fēng)電場建設(shè)過程中十分重要的一個環(huán)節(jié),它既是風(fēng)電場微觀選址的依據(jù),又決定了風(fēng)電場建成后的工程效益.風(fēng)電場場址的選擇需要綜合考慮候選場址風(fēng)能資源、交通狀況、土地利用、環(huán)境影響等,需要結(jié)合實際工程環(huán)境進行全面考慮.

1.1 風(fēng)電場選址的影響因素及基本原則

風(fēng)電場建設(shè)的場址的選擇是一個由多種相互聯(lián)系、相互作用的要素構(gòu)成的有機整體,因此在選址的過程中會受到很多因素的影響.影響場址選址的主要因素為:風(fēng)能資源、土地利用、交通條件、地形條件、地質(zhì)條件,環(huán)境影響、災(zāi)害性氣候和電網(wǎng)條件.同時把影響風(fēng)電場選址的因素條理化,選址重要的因素進行分析,總結(jié)出場址選址應(yīng)該遵循的基本原則,從而提高選址的精確度.風(fēng)電場選址的影響因素和基本原則[2-8]見表1.

表1 風(fēng)電場選址的影響因素和基本原則

1.2 風(fēng)電場選址的步驟

風(fēng)電場選址的過程是對一個較大地區(qū)的氣象條件、風(fēng)能、湍流、電網(wǎng)、交通、地質(zhì)、周圍環(huán)境等多種因素和條件進行綜合考察后,選擇出一個風(fēng)能資源豐富、且最有利用價值的小區(qū)域的過程[11].選址工作在風(fēng)電場前期規(guī)劃階段進行,同時一個風(fēng)電場址選擇的優(yōu)劣,在項目經(jīng)濟可行性方面起主要作用.其步驟可以分為3個階段進行[6,8,12-14],如圖1所示.

圖1 風(fēng)電場場址選擇的步驟

風(fēng)電場選址步驟中最重要的環(huán)節(jié)是對候選場址的實地考察,考察時應(yīng)結(jié)合相關(guān)資料由比較熟識當(dāng)?shù)厍闆r的相關(guān)人員帶隊進行.應(yīng)重點考察內(nèi)容:觀察道路情況并進行記錄;通過當(dāng)?shù)鼐用窳私鈭鲋分車娘L(fēng)資源和氣象情況,如風(fēng)速、持續(xù)時間,霧氣等;對整個場址內(nèi)的實際情況(如地形、植被等)進行拍照記錄,以便后期測風(fēng)塔的布置等;選擇若干具有代表性和控制性的地點進行測風(fēng),記錄風(fēng)速、風(fēng)向、測風(fēng)時間和天氣狀況;用GPS確定測風(fēng)點的經(jīng)、緯度和海拔高度.

2 風(fēng)電場場址選擇的工程實例探討

通過對風(fēng)電場場址選擇意義、影響因素、基本原則以及選址步驟進行初步探討,風(fēng)電場選址過程中應(yīng)綜合考慮選址的影響因素,并遵循相應(yīng)的原則,才能選出最優(yōu)場址.這里結(jié)合云南省某風(fēng)電場實例,進行風(fēng)電場實地考察分析及對選址探討分析.

此風(fēng)電場位于東部季風(fēng)區(qū),氣候?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,植被主要以野草為主,最高海拔為2762 m,屬于典型的云貴高原地貌,年平均氣溫在16.4℃左右,平均降水量為890mm.

根據(jù)氣象部門推薦并結(jié)合已有資料,可知此風(fēng)電場屬于已建風(fēng)電場附近還未開發(fā)的區(qū)域,因此可以從兩個方面來獲得工程資料.一方面根據(jù)已建風(fēng)電場的發(fā)電情況,判斷新風(fēng)電場的開發(fā)前景,并收集其周圍的風(fēng)資源情況.另一方面,再次對此備選區(qū)域進行實地考察,確認相關(guān)數(shù)據(jù).

2.1 區(qū)域風(fēng)能資源豐富度

根據(jù)氣象局提供的資料和現(xiàn)場勘察得知,正常情況下,場址年最高風(fēng)速在25m/s,平均風(fēng)速17m/s,最低風(fēng)速為3～4m/s,最大風(fēng)速持續(xù)的時間為3個月左右.主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng),相對穩(wěn)定、集中,有利于風(fēng)電機組布置.其周圍電場已立5座高度為70m的測風(fēng)塔,測風(fēng)約1年半,可初步判定其為風(fēng)能資源豐富區(qū).

2.2 區(qū)域聯(lián)網(wǎng)條件

選址時周圍沒有合適電壓等級的變電站,同時在其場址范圍內(nèi)沒有信號塔(一般情況下,在此場址內(nèi)安置兩個信號塔即可).在后期建設(shè)過程中應(yīng)綜合評估遠距離并網(wǎng)的建設(shè)成本.

2.3 區(qū)域交通和施工條件

交通運輸和施工條件:由于風(fēng)電場的風(fēng)機選擇在現(xiàn)場建造,因此只需考慮其周邊的公路即可.風(fēng)電場所處區(qū)域雖為山地,但是山頂?shù)牡匦纹鸱推露染^小,便于大型設(shè)備的運輸和安裝如圖2～3所示.另外道路幾乎以石子路為主,當(dāng)?shù)氐恼鸵呀L(fēng)電場的單位已進行了部分道路的建設(shè),這樣便可減少道路的建設(shè)費用.

2.4 地理環(huán)境及其他

山頂較為平坦,山脊的長度大概12 km左右,最高海拔在2762 m,如圖3示.規(guī)劃場地內(nèi)建有林地、農(nóng)場和一個軍事禁區(qū)(雷達區(qū)),因此在后期建設(shè)中要綜合考慮風(fēng)電場建設(shè)過程中的占地情況,應(yīng)該盡量避開農(nóng)場、林區(qū)和雷達站的區(qū)域.另外風(fēng)電場所選位置在礦區(qū)的范圍內(nèi),因此在建設(shè)過程中需要進行采礦和機組布置的綜合評價.同時風(fēng)電場距離居民區(qū)遙遠,容易滿足規(guī)定的噪音要求.

2.5 經(jīng)濟效益初步分析

用參考風(fēng)電功率密度計算年理論發(fā)電量(用kWh為單位)的公式如下:

式中,Qt為年理論發(fā)電量(kWh);wr為參考風(fēng)電功率密度(W/m2);d為風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑(m).

根據(jù)經(jīng)驗估計:山脊的長度大概12 km左右,按照風(fēng)機選用1500kW的機組,直徑在68m左右,風(fēng)機之間距離在250 m左右.按照這樣的參數(shù)計算,總共可布置45～48臺機組,裝機容量在7萬kW左右.假定在主流安裝高度上,該風(fēng)電場代表點的參考風(fēng)電功率密度值為(周邊風(fēng)電場所計算的風(fēng)功率密度)502 W/m2,則理論年發(fā)電量為7.42kWh.

2.6 環(huán)境效益初步分析

一般來說,火力發(fā)電的污染物主要有SO2,NOx,CO2,CO,懸浮顆粒物,粉爐灰和爐渣等.而評估風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境效益是相對火力發(fā)電而言的,以理論年發(fā)電量為7.42 kWh作為計算對象(按火力發(fā)電標(biāo)煤350g(/kW?h),則每年可為國家節(jié)省標(biāo)煤2.597 t.從而可以通過減少污染物的排放量來提高環(huán)境效益.環(huán)境效益則可通過環(huán)境效益值來進行分析[15],公式如下:污染物環(huán)境效益值=(污染物年減少排放量×污染物排放收費標(biāo)準(zhǔn))/年總的發(fā)電量.

環(huán)境效益分析見表2.計算得到SO2,NOx,CO2的環(huán)境效益值分別為0.0378,0.0224,0.0242元/(kW?h),3者占所有污染物環(huán)境價值的絕大部分.風(fēng)力發(fā)電的總環(huán)境效益值為0.0904元/(kW?h).

表2 風(fēng)力發(fā)電對于火電的環(huán)境效益值

2.7 小結(jié)

遵循風(fēng)電場選址的原則對風(fēng)電場進行現(xiàn)場考察,通過對各個因素的綜合分析得出以下結(jié)論:風(fēng)電場所處的區(qū)域為風(fēng)資源豐富區(qū);風(fēng)電場內(nèi)的道路情況良好,用于后期建設(shè)的成本不大;山頂相對比較平坦有利于大型機械的運轉(zhuǎn),并有利于風(fēng)電機組的布置,場區(qū)周圍沒有信號塔,需要后期的建設(shè).通過以上各方面的綜合分析,初步確定此區(qū)域具有可開發(fā)的價值.

通過對此風(fēng)電場場址的選擇,發(fā)現(xiàn)在場址選址過程中的應(yīng)注意的問題:(1)選址階段得到的風(fēng)資源概況主要依據(jù)是當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的風(fēng)資源普查資料及當(dāng)?shù)鼐用耖L期生活體驗,但由于氣象站基本在城區(qū)附近,可能距離風(fēng)電場較遠,并不能夠代表待建風(fēng)場的風(fēng)資源狀況;(2)地形數(shù)據(jù)主要依據(jù)當(dāng)?shù)販y繪部門實測的地形圖,但是由于此地區(qū)只有1∶50000的地形圖,利用此地形數(shù)據(jù)進行風(fēng)能資源評估會造成一定得誤差;(3)此風(fēng)電場地址位于海拔高程在2500～2700 m,初步估計其空氣密度比標(biāo)準(zhǔn)值低約30%,鑒于風(fēng)功率密度等級指標(biāo)是按標(biāo)準(zhǔn)空氣密度確定的,因此此風(fēng)電場要達到規(guī)定的功率密度,風(fēng)速應(yīng)當(dāng)比規(guī)定值更高.

3 結(jié) 論

結(jié)合上述工程中場址選擇實例分析,可知風(fēng)電場場址的選擇是比較復(fù)雜的,選址的過程應(yīng)該按照選址的步驟進行,同時應(yīng)綜合考慮選址的影響因素(如地形條件、道路情況、周圍環(huán)境等)和應(yīng)遵循的基本原則.以此選出最優(yōu)的風(fēng)電場場址,從而降低風(fēng)電場后期建設(shè)的成本、提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益和社會效益.

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