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风电机组该如何选择安装位置?3大原则、4个限制,还有实例分析

来源:风电头条

作者:简一

时间:2017-11-29

  风能资源评估完成,机组也选好以后就面临这机组的布置问题。
 
  机组布置:即风电机组位置的选择,应通过对若干方案的技术经济比较,确定风电场风电机组的布置方案,使风电场获得较好的发电量。
 
  除了风电场的风能资源分布特点以外,机组布置还需要考虑土地使用、村庄、电力设施、环境敏感因素等客观因素的限制,风电机组周围的地形条件,建筑物、树木或其它障碍物的不利影响以及风电机组之间的尾流影响。
 
  首先,风电机组的位置选择要遵循一定的原则:
 
  基本原则

 
  指导原则






 
 
  然后,充分考虑机组布置的限制条件:
 
  客观条件限制
 
  (1) 风电机组与村庄的距离一般要求500m以上,特殊情况至少300m。
 
  (2) 风电机组离110kV及以上电压等级线路150m以上。
 
  (3) 风电机组要避开基本农田、矿产、文物、军事用地、自然保护区以及其他环境敏感区域。
 
  地形条件限制满足风电机组的运输条件和安装条件:
 
  在平坦地形条件下,满足这一原则是很容易的的。在山区,满足这一原则经常有难度。要根据所选机型需要的运输机械和安装机械的要求,机位附近要有足够的场地能够作业和摆放叶片、塔筒,道路有足够的坡度、宽度和转弯半径使运输机械能到达所选机位。视觉上要尽量美观:
 
  在与主风能方向平行的方向成列,垂直的方向上成行。行间平行,列距相同。行距大于列距发电量较高,但等距布置在视觉上较好。追求视觉上的美观,会损失一定的发电量,因此在经济效益和美观上,也要有一定的平衡。
 
  障碍物影响
 
  在风电场中有时会碰到障碍物,障碍物的尾流的大小和强弱与其大小和体型有关。研究表明,对于无限长的障碍物,在障碍物下风向40倍障碍物高度,上方2倍障碍物高度的区域内,是较强的尾流扰动区,风电机组的布置必须避开这一区域。
 
  障碍物会降低障碍物下风向区域的风速,障碍物影响的大小取决于其本身的疏密程度,即透风率。建筑物的透风率最低,冬季的开阔树林具有一定的透风性,而夏季茂密的树林的透风率比较低。一般来讲,障碍物的长度越长,高度越高,相应的对风速的阻碍效果越明显。
 
  如(图1)所示为模拟7层的建筑物对风电机组的影响,其中建筑物高20m,宽60m,风电机组与建筑物的距离为300m,风电机组的轮毂高度为50m。图中的数字表示风速减小的影响程度,100表示风速没有损失,99表示风速减小1%。可以看出,风电机组轮毂高度处减小了3%,相应的风能损失约10%。
 
  图1 气流经过障碍物风速衰减图
 
  尾流影响
 
  气流在经过风电机组叶片时能量会减小,实际上,风电机组的叶片对风速有阻挡作用,在风电机组的下风向会产生类似轮船尾流的效果,该区域内会产生较大的湍流,同时风速也会降低。如图2为气流经过风电机组尾流示意图。
 
  图2 气流经过风电机组尾流示意图

 
  风电场的风电机组布置应考虑到风电机组之间尾流的影响,风电机组之间的距离至少保证3倍的叶轮直径,在主风向上,风电机组间的距离应更大一些。
 
  国外有研究成果表明,对单台风电机组,在距风轮2D-3D的顺风中心线处,风速减少35%-45%;在距风轮8D处,风速减少10%。尾流的直径在距风轮8D-10D为2.6D - 2.8D。对于行距为8-11D,列距为2-3D的布置,第二排的能量损失在10m/s时为8-20%。在平坦地区进行的7行布置的风电场的测量,其行距为9D,列距2D,第七排比第一排能量约损失20%。
 
  风电机组布置尾流影响比较表

 
  值得注意的是,多行多列布置的能量损失,和地形、地面粗糙度也有关系,所以上述数字只是给我们一个感性的认识。
 
  一方面,考虑到风电机组的尾流影响,我们应该使风电机组间的距离越大越好;另一方面,土地使用和电网连接的限制又要求风电机组间的距离尽可能小。
 
  根据经验,在平行于主风向方向上,风电机组间的距离一般保持5~9倍叶轮直径的距离;在垂直于主风向方向上,风电机组间的距离一般保持3~5倍叶轮直径的距离。如图3所示的排列考虑了多方面的因素,机组呈梅花型布置。
 
  图3 风电机组梅花型布置示意图

 
  机组布置分析实例
 
  图4为某风电场利用WasP软件计算的年平均风速分布图,从图中可以看出,风电场区域的地形条件具有一定的综合性,包括了粗糙度较小的水域(图的中间位置),水域东侧的平地以及水域南部,西部和北部的丘陵地形。
 
  图4 某风电场WAsP软件计算示意图

 
  从图中的各个机位的风能玫瑰图可以看出,该地区的主要风能方向是西方及其偏南和偏北方向。由于水面的表面粗糙度较小,来自西风经过水面后仍有较高的能量。水域的东侧陆地区域,在气流登陆后,由于地面粗糙度增大,风速的衰减增加,风功率密度降低。水域的南侧、西侧和北侧都是丘陵地区,特别是水域的西侧丘陵区域的高地(山脊)走向与主风向垂直,气流在流经该地区时随着地面的抬升产生了强烈的爬坡加速效应,风速在山顶地区达到最大值,因此该山顶地区是理想的布机区域。

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