風力發電工程項目研究設計與開發論文-文庫吧

【正文】 強地震帶、火山頻繁爆發區，以及具有考古意義及特殊使用價值的地區。應收集歷年有關部門提供的歷史記錄資料。結合實際作出評價。另外，考慮風電場對人類生活等方面的影響如風力發電機組運行會產生噪聲及葉片飛出傷人等，風電場應遠離人口密集區。有關規范規定風力發電機組離居民區的最小距離應使居民區的噪聲小于 45dB（ A），該噪聲可 被人們所接受。另外，風力發電機組離居民區和道路的安全距離從噪聲影響和安全考慮，單臺風力發電機組應遠離居住區至少 200m。而對大型風電場來說，這個最小距離應增至 500m。 13. 溫度、氣壓、濕度 XX 本科畢業設計說明書 7 溫度、氣壓、濕度的變化會引起空氣密度的變化從而改變了風功率密度，由此改變風力發電機組的發電量。在收集氣象站歷年風速風向數據資料及進行現場測量的同時應統計溫度、氣壓、濕度。在利用 WAsP軟件對風速風向進行精確計算的同時，利用溫度、氣壓、濕度的最大、最小及平均值進行風力發電機組發電量的計算驗證。 14. 海拔 同 溫度、氣壓、濕度一樣，具有不同海 拔的區域其空氣密度不同從而改變了風功率密度，由此改變風力發電機組的發電量。在利用 WAsP軟件進行風能資源評估分析計算時，海拔的高度間接對風力發電機組發電量的計算驗證起重要作用 第三節 風電場微觀選址 微觀選址是在宏觀選址中選定的小區域中確定如何布置風力發電機組，使整個風電場具有較好的經濟效益。一般，風電場選址研究需要兩年時間，其中現場測風應有至少一年以上的數據。國內外的經驗教訓表明，由于風電場選址的失誤造成發電量損失和增加維修費用將遠遠大于對場址進行詳細調查的費用。因此，風電場選 址對于風電場的建設是至關重要的。 風力發電機組微觀選址時的一般選擇如下： 一、 平坦地形 平坦地形可以定義為，在風電場區及周圍 5km 半徑范圍內其地形高度差小于 5m，同時地形最大坡度小于 3176。實際上，對于周圍特別是場址的盛行風的上（來）風方向，沒有大的山丘或懸崖之類的地形，仍可作為平坦地形來處理。 對平坦地形，在場址地區范圍內，同一高度上的風速分布可以看作是均勻的，可以直接使用鄰近氣象臺、站的風速觀測資料來對場址區進行風能估算，這種平坦地形下，風的垂直方向上的廓線與地表面粗糙度有著直接 關系，計算也相對簡單。對平坦地形，提高風力發電機組功率輸出的唯一方法是增加塔架高度。 2. 障礙物的影響 如前所述，障礙物是指針對某一地點存在的相對較大的物體，如房屋等。當氣流流過障礙物時，由于障礙物對氣流的阻礙和遮蔽作用，會改變氣流的流動方向和速度。障礙物和地形變化會影響地面粗糙度，風速的平均擾動及風輪廓線對風的結構都有很大的影響，但這種影響有可能是有利的（形成加速區），也可能是不利的（產生尾流、風擾動）。所以在選址時要充分考慮這些因素。 一般來說，沒有障礙物且絕對平整的地形是很少的，實際上必須要XX 本科畢業設計說明書 8 對影響 風的因素加以分析。 由于氣流流過障礙物時，在障礙物的下游會形成尾流擾動區，然后逐漸衰弱。在尾流區，不僅風速會降低，而且還會產生很強的湍流，對風力發電機組運行十分不利。因此在設置風力發電機組時必須注意避開障礙物的尾流區。 尾流的大小、延伸長度及強弱跟障礙物大小與形狀有關。作為一般法則，障礙物的寬度 b 與高度 h 比 b/A≤5 時，在障礙物下風方向可產生 20 倍障礙物高度 h 的強的擾動尾流區，寬度比越小減弱越快，寬度 b 越大，尾流區越長。極端情況時即 bh 時，尾流區長度可達 35 倍障礙物高度 h。尾流擾動高度可以達到障礙物高度 的 2 倍。當風力發電機組風輪葉片掃風最低點為 3 倍障礙物高度 h 時，障礙物在高度上的影響可以忽略。因此如果必須在這個區域內安裝風力發電機組，則風力發電機組安裝高度至少應高出地面 2 倍障礙物高度。另外，由于障礙物的阻擋作用，在上風向和障礙物的外側也會造成湍流渦動區。一般來說，如果風力發電機組安裝地點在障礙物的上風方向，也應距障礙物有 2~5 倍障礙物高度的距離。 如果風力發電機組前有較多的障礙物時，平均風速由于障礙物的多少和大小而相應變化，此時地面影響必須嚴格考慮，如通過修正地面粗糙度等。 二、復雜地形 復雜地形是指平 坦地形以外的各種地形，大致可以分為隆升地形和低凹地形兩類。局部地形對風力有很大的影響。這種影響在總的風能資源分區圖上無法表示出來，需要在大的背景上作進一步的分析和補充測量。復雜地形下的風力特性的分析是相當困難的。但如果了解了典型地形下的風力分布規律就有可能進一步分析復雜地形下的風電場分布。 在一個地區自然地形的提高，風速可能提高。但這不只是由于高度的變化，也是由于受某種程度的擠壓（如峽谷效應）而產生加速作用。 在河谷內，當風向與河谷走向一致時，風速將比平地大；反之，當風向與河谷 走向相垂直時，氣流受到地形的阻礙，河谷內的風速大大減弱。新疆阿拉山口風區，屬中國有名的大風區，因其地形的峽谷效應，使風速得到很大的增強。 山谷地形由于山谷風的影響，風將會出現較明顯的日或季節變化。因此選址時需考慮到用戶的要求。一般地說，在谷地選址時，首先要考慮的是山谷風走向是否與當地盛行風向相一致。這種盛行風向是指大地形下的盛行風向，而不能按山谷本身局部地形的風向確定。因為山地氣流的運動，在受山脈阻擋情況下，會就近改變流向和流速，在山谷內風XX 本科畢業設計說明書 9 多數是沿著山谷吹的。然后考慮選擇山谷中的收縮部分，這里容易產生狹管效 應。而且兩側的山越高，風也越強。另一方面，由于地形變化劇烈，所以會產生強的風切變和湍流，在選址時應該注意。 山丘、山脊地形的風電場 對山丘、山脊等隆起地形主要利用它的高度抬升和它對氣流的壓縮作用來選擇風力發電機組安裝的有利地形。相對于風來說展寬很長的山脊，風速的理論提高量是山前風速的 2 倍，而圓形山包為 倍，這一點可利用風圖譜中流體力學和散射實驗中試驗所適應的數學模型得以認證。 孤立的山丘或山峰由于山體較小，因此氣流流過山丘時主要形式是繞流運動。同時山丘本身又相當于一個巨大的塔架，是比較理想的風 力發電機組安裝場址。國內外研究和觀測結果表明，在山丘與盛行風向相切的兩側上半部是最佳場址位置。這里氣流得到最大的加速。其次是山丘的頂部。應避免在整個背風面及山麓選定場址，因為這些區域不但風速明顯降低，而且有強的湍流。 海陸對風的影響 除山區地形外，在風力發電機組選址中遇得最多的就是海陸地形。由于海面磨擦阻力比陸地要小，在氣壓梯度力相同的條件下，低層大氣中海面上的風速比陸地上要大。因此各國選擇大型風力發電機組位置有兩種：一是選在山頂上，這些站址多數遠離電力消耗的集中地；一是選在近海，這里的風能潛力比陸地 大 50%左右，所以很多國家都在近海建立風電場。 從上面對復雜地形的介紹及分析可以看出，雖然各種地形 風速變化有一定的規律，但做進一步的分析還存在一定的難度，因此，應在當地建立測風塔，利用實際風和測量值來與原始氣象數據比較，作出修正后再確定具體方案。 三、風力發電機組排列方式 風力發電機組排列方式主要與風向及風力發電機組數量、場地實際情況有關。應根據當地的單一盛行風向或多風向，決定風力發電機組是矩陣式排布還是圓形或方形分布。 合理地排列風力發電機組是風電場設計時需要考慮的重要問題。如果排列過密，風力發電機組間 的相互影響將會大幅度地降低排列效率，減少年發電量，并且產生的強紊流將造成風力發電機組振動，惡化受力狀態；反之，如果排列過疏，不但年發電量增加很少，而且增加了道路、電纜等投資費用及土地利用率。按標準要求，無論何種方式的排列，應保證風力發電機組間相互干擾最小化。 對平坦地形當盛行主風向為一個方向或兩個方向且相互為反方XX 本科畢業設計說明書 10 向時，風力發電機組排列方式一般為矩陣式分布。風力發電機組群排列方向與盛行風向垂直，前后兩排錯位，即后排風力發電機組始終位于前排 2 臺風力發電機組之間。根據國外進行的試驗，風力發電機組間距離為其風輪直徑 的 10 倍時，風力發電機組效率將減少約20%~30%， 20 倍距離時無任何影響。但是，在考慮風力發電機組的風能最大捕獲率或因考慮場地面積而允許出現較小干擾，并考慮道路、輸電線等投資成本的前提下，可適當調整各風力發電機組間間距和排距。一般來說，風力發電機組的列距約為 3~5 倍風輪直徑；行距約為 5~9 倍風輪直徑。 當場地為多風向區，即該地存在多個盛行風向時，依場地面積和風力發電機組數量，風力發電機組排布一般采用 “田 ”形或圓形分布，此時風力發電機組間的距離應相對大一些，通常取 10~12 倍風輪直徑或更大。 對復雜地形 如山區、山丘等，不能簡單地根據上述原則確定風力發電機組位置，而是根據實際地形，測算各點的風力情況后，經綜合考慮各方因素如安裝、地形地質等，選擇合適的地點進行風力發電機組安裝。 第四節 風電場選址軟件介紹 一、風能資源分析軟件 ——— WasP 為充分合理地使用風能，對于購買風力發電機組建設風電場的用戶而言，首先要了解當地的風能資源狀況，然后根據預計產生的經濟效益來決定當地是否適合建設風電場、購買風力發電機組是否可行以及選擇合適的風力發電機組規格（如合適的起動風速、額定風速及功率曲線等性能參數），以期最大限度地利用當地的 風能資源。沒有風能資源分析評估，或者錯誤地分析當地風能資源，風能利用率和經濟效益就不會達到預期的目的，甚至可能造成重大經濟損失。在此，介紹一種目前國際上應用最廣的風能資源分析軟件 ———風圖譜分析及應用程序 WAsP（ WindAtIasAnaIysisandAppIicationProgrmm）。 WAsP 是由丹麥國家實驗室風能應用開發部開發出來的風能資源分析處理軟件，主要用于對某地風能資源進行評估，正確地選擇風電場場址。 1. WAsP 的功能 WAsP 的主要功能如下： 1）風觀察數據的統計分析； 2）風功率密 度分布圖的生成； 3）風氣候評估； 4）風力發電機組年發電量計算； 5）風電場年總發電量計算。 XX 本科畢業設計說明書 11 用 WAsP 對某地區進行風能資源評估分析時，考慮了該地區一定的距離范圍內不同的地形表面粗糙度的影響，以及由附近建筑物或其他障礙物所引起的屏蔽因素，同時還考慮了山丘以及由于場地的復雜性而引起的風的變化情況，從而估算出該地區真實的風能資源情況。另外，可以根據某一地區的風能資源情況逆行推算出另一點的風能資源，這對評估那些地處偏僻又無氣象資料記錄的地區的風能資源是非常有用的。 2. WAsP 的輸入數據 1）氣象數據輸入 應提供 3 年以上的統計數據，最少 1 年，由當地氣象臺、站提供。可以是時間序列數據或直方圖數據表。主要為風速（ m/s）、風向（ 176。）每小時（或 3h）統計值、當地標準氣壓、溫度及海拔。 WAsP 將風向數據歸類劃分到 0176。~360176。內的 12 個風向扇區內（每一扇區為 30176。，0176。~30176。為第一扇區，依此類推），采用國際上通用的比恩統計法（ “bin”）將風速數據歸類劃分到相應扇區 0~17m/s 的風速段（ 每一風速段為1bin， 0~1m/s 為第一風速段，依此類推）。根據需要，也可以將風向扇區劃分為 16 個。 2）地表面粗糙 度數據輸入 地表面粗糙度是指風隨高度為對數變化時平均風速為零處的高度。依地形條件，粗糙度依不同地形層次可以分為若干等級，在一定距離內，地表面越復雜，或粗糙度變化層次越多，則粗糙度越大，對風的影響就越大。反之，地表面越簡單，或粗糙度變化層次越少，則粗糙度越小，對風的影響就越小。在 WAsP 軟件中，將平坦地形粗糙度等級分成四級，其對應的粗糙度見表 11；而對于復雜地形，則應由表 12 確定其綜合粗糙度 ZOR。 ZOR的確定方法詳見參考文獻，當地表面粗糙度不是均勻變化時，可以將一個扇區內的地形分為四個分區，每個分區 內的地形有相近的粗糙度，經現場實際勘察后根據表 11 確定每個分區的粗糙度 等級，然后根據表 12 確定 ZOR。例如，某一個扇區地形的四個分區內的粗糙等級分別是 0、 0、 3，即在這個扇區內的地形粗糙度等級 0出現的次數為 2，粗糙度等級 2 和 3 出現的次數分別為 1，則其 ZOR為；同理，當粗糙等級分別是 3 時，則其 ZOR為 。現場實際勘察的范圍在 2km~50km 之間，地形越復雜，勘察范圍就越廣；簡單地形勘察范圍可在 20km 內進行。在勘察無法進行的情況下，需要提供詳細描述本地區的地圖來確定 粗糙度及其等級值。 [attachment=2078] [attachment=2079] 3）地面障礙物數據輸入地面障礙物如建筑物、防風帶等對風速、風向產生的衰減影響與障礙物到測風點的距離以及障礙物和測風點的高度XX 本科畢業設計說明書 12 有密切關系；另外，還與障礙物的孔隙度有一定關系。為便于計算，一般將障礙物近似視為具有一定長度、寬度和高度的矩形物來考慮。計算中要考慮：障礙物到場地某參考點（可以是測風點，也可以是風力發電機組安裝地址，取決于計算內容）的距離及方位；障礙物相對場地參考點的高度；障礙物的寬度；障礙物的孔隙度等。障 礙物（如建筑物、墻壁等）實度越大，則孔隙度