裴煥金，李永亮，楊 昆，郭 斌

(1.浙江運(yùn)達(dá)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310000)

在“碳達(dá)峰，碳中和”的時(shí)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(jī)逐漸遍布我國(guó)大江南北，風(fēng)機(jī)對(duì)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(jī)閃爍光影影響是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的一種較為嚴(yán)重的污染[2]。閃爍光影投在公路上，會(huì)對(duì)駕駛產(chǎn)生干擾；投在居民點(diǎn)，會(huì)對(duì)人的視覺(jué)和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響等[1,3]。因此，精準(zhǔn)評(píng)估風(fēng)機(jī)光影對(duì)周邊環(huán)境的影響，并利用風(fēng)機(jī)光影長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)與敏感點(diǎn)之間的角度，合理減小甚至避免敏感點(diǎn)風(fēng)機(jī)閃爍光影影響，已經(jīng)成為風(fēng)電場(chǎng)能否成功建設(shè)和運(yùn)行的前提條件。

目前，已有學(xué)者粗略地計(jì)算了風(fēng)機(jī)北側(cè)光影影響。文獻(xiàn)[4-6]闡述了風(fēng)機(jī)光影計(jì)算原理，論述了前期評(píng)估風(fēng)機(jī)光影的重要性。文獻(xiàn)[7]指出了僅以冬至日正午時(shí)風(fēng)機(jī)光影長(zhǎng)度作為影響范圍半徑的不合理性。文獻(xiàn)[8]分析了以冬至日風(fēng)機(jī)光影影響代表全年影響的原因，計(jì)算了風(fēng)機(jī)光影影響的范圍和長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[9]基于ArcGIS軟件，對(duì)風(fēng)機(jī)光影進(jìn)行定量計(jì)算，并在平面圖上反映風(fēng)機(jī)光影的時(shí)空特征，便于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址。文獻(xiàn)[10]改進(jìn)了風(fēng)機(jī)光影計(jì)算的方法，分析了冬至日風(fēng)機(jī)光影對(duì)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(jī)葉片運(yùn)行至最高點(diǎn)產(chǎn)生的光影影響(以最大光影長(zhǎng)度為半徑，圈定風(fēng)機(jī)北側(cè)的半圓為風(fēng)機(jī)光影影響范圍)，未考慮我國(guó)部分城市位于南北回歸線之間，風(fēng)機(jī)在南側(cè)也有光影影響；沒(méi)有分析風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)風(fēng)速過(guò)小或過(guò)大導(dǎo)致的停機(jī)等因素的影響，也沒(méi)有研究風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)合理避免閃爍光影影響敏感點(diǎn)的措施。

為了計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況下閃爍光影對(duì)周圍敏感點(diǎn)的影響，本文建立了考慮風(fēng)速、風(fēng)向和輻照強(qiáng)度等約束影響下的風(fēng)機(jī)閃爍光影逐時(shí)計(jì)算模型，分析了位于南北回歸線之間風(fēng)機(jī)的閃爍光影對(duì)敏感點(diǎn)的影響(計(jì)算了風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行至最高點(diǎn)和最低點(diǎn)產(chǎn)生的閃爍光影對(duì)風(fēng)機(jī)南北側(cè)的影響)，透析了不同緯度下風(fēng)機(jī)產(chǎn)生光影影響角度和光影長(zhǎng)度的特點(diǎn)。通過(guò)案例計(jì)算獲得的風(fēng)機(jī)閃爍光影影響角度和光影長(zhǎng)度，剖析了避免光影對(duì)敏感點(diǎn)產(chǎn)生影響的措施。

1 光影模型

地球自西向東自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)在南北回歸線之間運(yùn)動(dòng)，且東升西落。風(fēng)機(jī)位于太陽(yáng)北側(cè)時(shí)，風(fēng)機(jī)對(duì)北部區(qū)域有光影影響；風(fēng)機(jī)位于太陽(yáng)南側(cè)時(shí)，風(fēng)機(jī)對(duì)南部有光影影響。通常風(fēng)電機(jī)組的光影影響范圍取決于太陽(yáng)方位角和高度角。太陽(yáng)方位角決定風(fēng)機(jī)光影的投射方位；太陽(yáng)高度角決定風(fēng)機(jī)光影的長(zhǎng)度。

我國(guó)位于北半球，冬至日太陽(yáng)高度角最小，太陽(yáng)照射產(chǎn)生的光影最長(zhǎng)，但太陽(yáng)高度角越小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度就越小，風(fēng)機(jī)光影影響越弱。我國(guó)各地區(qū)冬至日日出和日落時(shí)間不同，選取每日上午9時(shí)至下午15時(shí)為風(fēng)機(jī)光影影響時(shí)段較為合理。

1.1 光影角度

光影影響角度為太陽(yáng)在上午9時(shí)和下午15時(shí)走過(guò)角度的反向夾角。太陽(yáng)方位角是指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與正南方的夾角。太陽(yáng)方位角計(jì)算公式如下：

cosA=(sinh×sinφ-sinδ)/(cosh×cosφ)

(1)

式中：h為太陽(yáng)高度角；φ為觀測(cè)地緯度；δ為赤緯角。

太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式為

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(2)

式中，t為時(shí)角。

太陽(yáng)赤緯角是地球赤道平面與太陽(yáng)和地球中心的連線之間的夾角。赤緯角是由于地球繞太陽(yáng)運(yùn)行造成的現(xiàn)象，以年為周期，在+23°26.5′與-23°26.5′之間移動(dòng)。赤緯角計(jì)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(jì)數(shù)。

時(shí)角為單位時(shí)間內(nèi)地球自轉(zhuǎn)的角度，規(guī)定上午時(shí)角為負(fù)值，正午時(shí)角為0°，下午時(shí)角為正值。計(jì)算公式如下：

t=15(n-12)

(4)

其中，n為每天小時(shí)數(shù)。

1.2 光影長(zhǎng)度

光影影響距離是指風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生光影的長(zhǎng)度，計(jì)算公式如下：

L=D/tanh

(5)

式中：L為風(fēng)電機(jī)組影子長(zhǎng)度；D為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)的風(fēng)機(jī)高度；h為太陽(yáng)高度角。

2 閃爍光影模型

靜止的光影不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較為嚴(yán)重的污染，如樹影。僅閃爍光影會(huì)影響人和動(dòng)物等神經(jīng)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)閃爍光影是指風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的光影。風(fēng)機(jī)閃爍光影是否影響敏感點(diǎn)，受到太陽(yáng)高度角、風(fēng)機(jī)和敏感點(diǎn)之間相對(duì)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(jī)閃爍光影模型。

1)使用第2節(jié)光影模型計(jì)算風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)和最低點(diǎn)光影長(zhǎng)度和方位角。

2)從風(fēng)機(jī)光影角度出發(fā)。風(fēng)機(jī)在1 d中僅能對(duì)一定角度內(nèi)的敏感點(diǎn)造成影響，如北回歸線以北的風(fēng)機(jī)僅對(duì)機(jī)位點(diǎn)北側(cè)的一個(gè)固定角度內(nèi)的敏感點(diǎn)產(chǎn)生影響。

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

圖1 閃爍光影影響范圍

4)從風(fēng)向條件出發(fā)。風(fēng)機(jī)要隨著需求偏航迎風(fēng)或避風(fēng)，產(chǎn)生的光影也在移動(dòng)，計(jì)算每個(gè)風(fēng)向下風(fēng)機(jī)光影影響。

5)從風(fēng)速條件出發(fā)。以風(fēng)機(jī)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(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)。

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

在上述約束條件限制下，該光影計(jì)算模型能模擬出風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)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(jì)算

本文使用我國(guó)南部某地區(qū)分散式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目1臺(tái)風(fēng)機(jī)作為案例進(jìn)行分析。機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示(下文中平面坐標(biāo)均為CGCS2000)，敏感點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示，敏感點(diǎn)為散居的居民點(diǎn)，機(jī)位點(diǎn)和敏感點(diǎn)位置如圖2所示，機(jī)位點(diǎn)和敏感點(diǎn)的直線距離如表3所示。該地區(qū)典型年逐時(shí)風(fēng)速如圖3所示。

表1 機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)

表2 敏感點(diǎn)坐標(biāo) m

圖2 機(jī)位點(diǎn)和敏感點(diǎn)位置

表3 機(jī)位點(diǎn)和敏感點(diǎn)之間距離 m

圖3 典型年逐時(shí)風(fēng)速

由于該項(xiàng)目處于南北回歸線之間，全年內(nèi)風(fēng)機(jī)在機(jī)位點(diǎn)南北方向均有投影。①當(dāng)赤緯角小于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，風(fēng)機(jī)光影主要投射在機(jī)位點(diǎn)北側(cè)。計(jì)算獲得冬至日風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的閃爍光影長(zhǎng)度和角度如圖4所示；②當(dāng)赤緯角大于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，風(fēng)機(jī)光影主要投射在機(jī)位點(diǎn)南側(cè)，計(jì)算獲得夏至日風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的閃爍光影長(zhǎng)度和角度如圖5所示。圖中葉片旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的光影長(zhǎng)度差值即為風(fēng)機(jī)的閃爍光影長(zhǎng)度，以正東方向?yàn)榱愣染€，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)所夾角度為橫坐標(biāo)。本文模型和WindPro軟件計(jì)算獲得的全年光影影響時(shí)長(zhǎng)如表4所示，計(jì)算模型(本文模型僅計(jì)算葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的閃爍光影)和框選敏感點(diǎn)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(shí)長(zhǎng)的誤差)，但相對(duì)全年總時(shí)長(zhǎng)，誤差較小，故認(rèn)為本文模型是正確的(后期增加測(cè)量實(shí)驗(yàn))。

表4 光影影響時(shí)長(zhǎng) h

圖4 冬至日光影長(zhǎng)度

從全年光影計(jì)算結(jié)果中可以看出，冬至日風(fēng)機(jī)光影僅能囊括風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)位點(diǎn)北側(cè)部分角度內(nèi)的影響，夏至日風(fēng)機(jī)光影僅可以囊括風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)位點(diǎn)南側(cè)部分角度內(nèi)的影響，全年風(fēng)機(jī)閃爍光影覆蓋機(jī)位點(diǎn)四周。從圖4中可以看出，冬至日風(fēng)機(jī)閃爍光影較長(zhǎng)，影響角度較??；太陽(yáng)從南回歸線運(yùn)行至當(dāng)?shù)鼐暥绕陂g，光影角度逐漸增大，光影長(zhǎng)度逐漸減小。從圖5中可以看出，夏至日閃爍光影長(zhǎng)度較短，但影響角度較大，太陽(yáng)從當(dāng)?shù)鼐暥冗\(yùn)行至北回歸線期間，光影角度逐漸減小，光影長(zhǎng)度逐漸增大。赤緯角和當(dāng)?shù)鼐暥炔钪翟酱髸r(shí)，風(fēng)機(jī)光影影響角度越小，光影長(zhǎng)度越大；反之，風(fēng)機(jī)光影影響角度越大，光影長(zhǎng)度越小。因此，可以利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的閃爍光影影響角度和影響長(zhǎng)度，平移風(fēng)機(jī)，避免風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)位點(diǎn)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(zhǎng)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(diǎn)受影響角度范圍，篩選受風(fēng)機(jī)閃爍光影影響的風(fēng)頻區(qū)間，篩選風(fēng)向作用下風(fēng)機(jī)產(chǎn)生閃爍光影影響的時(shí)間點(diǎn)。

表5 風(fēng)向頻率

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

圖6 風(fēng)速篩選點(diǎn)

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

經(jīng)過(guò)上述三個(gè)約束條件篩選后，全年風(fēng)機(jī)對(duì)4個(gè)敏感點(diǎn)閃爍光影影響時(shí)長(zhǎng)如表6所示，從表中可以看出，未考慮約束前計(jì)算獲得的風(fēng)機(jī)閃爍光影影響時(shí)長(zhǎng)比風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的光影影響時(shí)長(zhǎng)偏大，本文考慮多因素約束下的光影計(jì)算模型也更為準(zhǔn)確。

表6 折減后光影影響時(shí)長(zhǎng) h

3.3 實(shí)際應(yīng)用

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

表7 平移后風(fēng)機(jī)和敏感點(diǎn)之間距離 m

圖7 移動(dòng)后的機(jī)位點(diǎn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了考慮風(fēng)速、風(fēng)向和輻照強(qiáng)度等因素影響下的風(fēng)機(jī)閃爍光影計(jì)算模型，計(jì)算了風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的閃爍光影對(duì)周圍敏感點(diǎn)的影響(閃爍頻率約0.003 06 Hz)，包括太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)至風(fēng)機(jī)北側(cè)，對(duì)風(fēng)機(jī)南側(cè)敏感點(diǎn)的閃爍光影影響。獲得了多種因素約束下風(fēng)機(jī)對(duì)敏感點(diǎn)產(chǎn)生的閃爍光影影響時(shí)長(zhǎng)為29 h，比考慮約束前減少了49 h，精細(xì)化了風(fēng)機(jī)閃爍光影計(jì)算模型，提高了風(fēng)機(jī)閃爍光影計(jì)算精度。

根據(jù)風(fēng)機(jī)閃爍光影對(duì)南北側(cè)敏感點(diǎn)影響角度和影響長(zhǎng)度的特點(diǎn)(風(fēng)機(jī)位于不同緯度時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的光影影響角度和光影長(zhǎng)度大不相同)，分析了減小風(fēng)機(jī)閃爍光影影響的措施：①風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)光影影響角度較小時(shí)，可通過(guò)東西移動(dòng)風(fēng)機(jī)位置，使得敏感點(diǎn)不在風(fēng)機(jī)光影影響的角度范圍內(nèi)；②風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)光影長(zhǎng)度較小時(shí)，可通過(guò)南北移動(dòng)風(fēng)機(jī)位置，使得敏感點(diǎn)不在風(fēng)機(jī)光影影響的長(zhǎng)度范圍內(nèi)。該措施為避免風(fēng)機(jī)閃爍光影影響敏感點(diǎn)提供合理依據(jù)，便于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址時(shí)優(yōu)化風(fēng)機(jī)排布。