风电场场址选择问题的探讨

侯燕梅 许文年 毛思禹 祝立群 张 成

(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002;2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,昆明 650051)

伴随着能源危机和环境保护压力的增大,风能资源作为一种无污染的可再生新能源有着巨大的发展潜力,特别是对于我国东南沿海及其岛屿,边远山区,地广人稀的草原牧场等地区,丰富的风能可以作为解决生产和生活能源需求的一种可靠途径.近几年我国风力发电事业高速发展,已跃升为世界风能发电利用增长率最高的国家之一[1].从经济的可长远发展眼光来看,对风电场建设相关问题进行研究和分析具有现实的意义.

在风电场的建设中,风电场场址的选择极为重要,它是风电场建设的前提基础,场址选择的质量会直接影响到风电场投运后的经济效益和环境效益.风电场场址的选择,受风能资源评估、土地利用、交通条件、地形条件、地质条件、电网条件等因素的综合影响,加上区域所能利用的气象资料缺乏,这些都使风电场宏观场址的选择呈现复杂性.基于风电场场址选择所面临的这一现实问题,本文通过对风电场选址的影响因素、基本原则以及选址步骤3个方面进行初步探讨,并结合工程实例进行了分析.

1 风电场场址选择

风电场场址的选择是风电场建设过程中十分重要的一个环节,它既是风电场微观选址的依据,又决定了风电场建成后的工程效益.风电场场址的选择需要综合考虑候选场址风能资源、交通状况、土地利用、环境影响等,需要结合实际工程环境进行全面考虑.

1.1 风电场选址的影响因素及基本原则

风电场建设的场址的选择是一个由多种相互联系、相互作用的要素构成的有机整体,因此在选址的过程中会受到很多因素的影响.影响场址选址的主要因素为:风能资源、土地利用、交通条件、地形条件、地质条件,环境影响、灾害性气候和电网条件.同时把影响风电场选址的因素条理化,选址重要的因素进行分析,总结出场址选址应该遵循的基本原则,从而提高选址的精确度.风电场选址的影响因素和基本原则[2-8]见表1.

表1 风电场选址的影响因素和基本原则

1.2 风电场选址的步骤

风电场选址的过程是对一个较大地区的气象条件、风能、湍流、电网、交通、地质、周围环境等多种因素和条件进行综合考察后,选择出一个风能资源丰富、且最有利用价值的小区域的过程[11].选址工作在风电场前期规划阶段进行,同时一个风电场址选择的优劣,在项目经济可行性方面起主要作用.其步骤可以分为3个阶段进行[6,8,12-14],如图1所示.

图1 风电场场址选择的步骤

风电场选址步骤中最重要的环节是对候选场址的实地考察,考察时应结合相关资料由比较熟识当地情况的相关人员带队进行.应重点考察内容:观察道路情况并进行记录;通过当地居民了解场址周围的风资源和气象情况,如风速、持续时间,雾气等;对整个场址内的实际情况(如地形、植被等)进行拍照记录,以便后期测风塔的布置等;选择若干具有代表性和控制性的地点进行测风,记录风速、风向、测风时间和天气状况;用GPS确定测风点的经、纬度和海拔高度.

2 风电场场址选择的工程实例探讨

通过对风电场场址选择意义、影响因素、基本原则以及选址步骤进行初步探讨,风电场选址过程中应综合考虑选址的影响因素,并遵循相应的原则,才能选出最优场址.这里结合云南省某风电场实例,进行风电场实地考察分析及对选址探讨分析.

此风电场位于东部季风区,气候属于南亚热带季风气候,植被主要以野草为主,最高海拔为2762 m,属于典型的云贵高原地貌,年平均气温在16.4℃左右,平均降水量为890mm.

根据气象部门推荐并结合已有资料,可知此风电场属于已建风电场附近还未开发的区域,因此可以从两个方面来获得工程资料.一方面根据已建风电场的发电情况,判断新风电场的开发前景,并收集其周围的风资源情况.另一方面,再次对此备选区域进行实地考察,确认相关数据.

2.1 区域风能资源丰富度

根据气象局提供的资料和现场勘察得知,正常情况下,场址年最高风速在25m/s,平均风速17m/s,最低风速为3～4m/s,最大风速持续的时间为3个月左右.主导风向为西南风,相对稳定、集中,有利于风电机组布置.其周围电场已立5座高度为70m的测风塔,测风约1年半,可初步判定其为风能资源丰富区.

2.2 区域联网条件

选址时周围没有合适电压等级的变电站,同时在其场址范围内没有信号塔(一般情况下,在此场址内安置两个信号塔即可).在后期建设过程中应综合评估远距离并网的建设成本.

2.3 区域交通和施工条件

交通运输和施工条件:由于风电场的风机选择在现场建造,因此只需考虑其周边的公路即可.风电场所处区域虽为山地,但是山顶的地形起伏和坡度均较小,便于大型设备的运输和安装如图2～3所示.另外道路几乎以石子路为主,当地的政府和已建风电场的单位已进行了部分道路的建设,这样便可减少道路的建设费用.

2.4 地理环境及其他

山顶较为平坦,山脊的长度大概12 km左右,最高海拔在2762 m,如图3示.规划场地内建有林地、农场和一个军事禁区(雷达区),因此在后期建设中要综合考虑风电场建设过程中的占地情况,应该尽量避开农场、林区和雷达站的区域.另外风电场所选位置在矿区的范围内,因此在建设过程中需要进行采矿和机组布置的综合评价.同时风电场距离居民区遥远,容易满足规定的噪音要求.

2.5 经济效益初步分析

用参考风电功率密度计算年理论发电量(用kWh为单位)的公式如下:

式中,Qt为年理论发电量(kWh);wr为参考风电功率密度(W/m2);d为风电机组的风轮直径(m).

根据经验估计:山脊的长度大概12 km左右,按照风机选用1500kW的机组,直径在68m左右,风机之间距离在250 m左右.按照这样的参数计算,总共可布置45～48台机组,装机容量在7万kW左右.假定在主流安装高度上,该风电场代表点的参考风电功率密度值为(周边风电场所计算的风功率密度)502 W/m2,则理论年发电量为7.42kWh.

2.6 环境效益初步分析

一般来说,火力发电的污染物主要有SO2,NOx,CO2,CO,悬浮颗粒物,粉炉灰和炉渣等.而评估风力发电的环境效益是相对火力发电而言的,以理论年发电量为7.42 kWh作为计算对象(按火力发电标煤350g(/kW◦h),则每年可为国家节省标煤2.597 t.从而可以通过减少污染物的排放量来提高环境效益.环境效益则可通过环境效益值来进行分析[15],公式如下:污染物环境效益值=(污染物年减少排放量×污染物排放收费标准)/年总的发电量.

环境效益分析见表2.计算得到SO2,NOx,CO2的环境效益值分别为0.0378,0.0224,0.0242元/(kW◦h),3者占所有污染物环境价值的绝大部分.风力发电的总环境效益值为0.0904元/(kW◦h).

表2 风力发电对于火电的环境效益值

2.7 小结

遵循风电场选址的原则对风电场进行现场考察,通过对各个因素的综合分析得出以下结论:风电场所处的区域为风资源丰富区;风电场内的道路情况良好,用于后期建设的成本不大;山顶相对比较平坦有利于大型机械的运转,并有利于风电机组的布置,场区周围没有信号塔,需要后期的建设.通过以上各方面的综合分析,初步确定此区域具有可开发的价值.

通过对此风电场场址的选择,发现在场址选址过程中的应注意的问题:(1)选址阶段得到的风资源概况主要依据是当地气象部门的风资源普查资料及当地居民长期生活体验,但由于气象站基本在城区附近,可能距离风电场较远,并不能够代表待建风场的风资源状况;(2)地形数据主要依据当地测绘部门实测的地形图,但是由于此地区只有1∶50000的地形图,利用此地形数据进行风能资源评估会造成一定得误差;(3)此风电场地址位于海拔高程在2500～2700 m,初步估计其空气密度比标准值低约30%,鉴于风功率密度等级指标是按标准空气密度确定的,因此此风电场要达到规定的功率密度,风速应当比规定值更高.

3 结 论

结合上述工程中场址选择实例分析,可知风电场场址的选择是比较复杂的,选址的过程应该按照选址的步骤进行,同时应综合考虑选址的影响因素(如地形条件、道路情况、周围环境等)和应遵循的基本原则.以此选出最优的风电场场址,从而降低风电场后期建设的成本、提高风电场的经济效益和社会效益.

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