风电场选在哪里最给力

吴敬凯 张继立

2010年10月20日，美国埃尔斯沃思附近的风力发电场，一座风磨和几个风力涡轮机。摄影/CFP/CFP

风资源分析是风电场项目前期工作的重要环节，是风电项目的根本，对资源的正确评估是风电场建设取得良好经济效益的关键，有的风电场建设因风能资源评价失误，建成的风电场达不到预期的发电量，造成很大的经济损失。微观选址工作主要任务是，对风电场所在区域内进行现场踏勘，利用计算软件对风电场内的风电机组布置进行计算，满足风电场总体装机容量以及风电机组装机台数要求，给出各风电机组的具体位置坐标，从而指导下一步的勘测设计等工作。一个准确、可靠的风资源分析和微观选址报告能够确保风力发电机组的可靠运行，并为风场投资回报率提供可靠的保证。

风资源分析

数据检验。对测风资料进行三性分析，包括代表性、一致性和完整性，测风时间至少应保证一周年，测风资料有效数据完整率应大于90%，资料缺失的时段应尽量小(小于7天)。

测风数据分析。根据风场测风数据处理形成的资料和长期站(气象站，海洋站)的测风资料，按照国家标准《风电场风资源评估方法》计算风电机组轮毂高度处代表年平均风速，平均风功率密度，风电场测站全年风速和风功率日变化曲线图，风电场测站全年风速和风功率年变化曲线图，风电场测站全年风向，风能玫瑰图，风电场测站各月风向，风能玫瑰图，风电场测站的风切变系数，湍流强度，粗糙度;通过与长期站的相关计算整理出一套反映风电场长期平均水平的代表数据。

通过对测风塔的数据进行分析，得出代表年50m～80m高度的年平均风速、风功率密度。根据《风电场风能资源测量方法》可以判断风功率密度等级，一般来说，风功率密度达到3级以上，风电场才有开发价值。

各测风塔的风能主要集中某几个扇区，盛行风向稳定，才有利于风能资源的有效利用。

风电机组安全等级分析。按照IEC 61400-1（Third edition，2005-08）计算风电场预装风电机组轮毂高度处湍流强度和50年一遇10min平均最大风速，提出风电场场址风况对风电机组安全等级的要求（见表1）。

表1 IEC 61400-1（Third edition，2005-08）机型划分标准

根据以上形成的各种参数，对风电场风能资源进行评估，以判断风电场是否具有开发价值。

微观选址

微观选址工作主要任务是，对风电场所在区域内进行现场踏勘，利用计算软件对风电场内的风电机组布置进行计算，满足风电场总体装机容量以及风电机组装机台数要求，给出各风电机组的具体位置坐标，从而指导下一步的勘测设计等工作。

微观选址的技术路线。世界气象组织在风能资源利用方面的气象问题中给出了风力发电机组微观选址技术方法的框图，见图1。

图1 微观选址技术路线图

如上图所示，微观选址首先确定盛行风向；其次地形归类，可以分为平坦地形和复杂地形。在平坦地形中主要是地面粗糙度的影响；复杂地形除了地面粗糙度，还要考虑地形特征。

微观选址的主要影响因素。风电场选址需考虑以下5个方面：

一是地形影响。风能与风速的立方成正比，当风速为原来的两倍时，则功率为原来的八倍。由于风的局地性相当大，这就愈来愈需要气象学家，为风力发电机所要选的位置，提供中、小尺度的气候分析。运用气象规律认真选好站址，对推广风能利用所产生的经济效果是非常显著的，小地形的影响也是不能忽视的，所以一旦利用风能的地区确定后，就必需对当地的局地小气候进行分析，将风机位置安装在受地形影响风速增强的地点。

地形会造成风速差异，不同地形的风速和空旷平地的风速比值（如表3）可以推算相似地形下的风速。

表2 不同地形下风速与平坦地面风速比值表

山地对风速影响的水平距离，一般在向风面为山高的5～10倍，背风面为15倍。且山脊越高，坡度越缓，在背风面影响的距离越远。根据经验，在背风面对风速影响的水平距离L大致是与山高h和山的坡度α半角的余切的乘积成比例，即：

二是海陆的影响。海面比起伏不平的陆地表面摩擦阻力小，所以在气压梯度力相同的条件下，海面风速比陆地上风速要大。现在国际上选择风机位置有两种倾向，一是选择在较高的山脊，一是选在海滩上。一方面可不占用良好的土地，另一方是主要因为这些地方风力较大。

三是风速随高度变化的影响（地面粗糙度对风速的影响）。在近地层中，风速随高度有显著变化，但由于地面粗糙度不同，风速随高度的变化也就不同。风速随高度的增大，是风速受地面粗糙度的影响而引起的，大气低层常用指数公式表示风速和高度的变化关系：

式中 Vn 为在高度 Zn 处的风速，V1 为在高度 Z1 处的已知风速，α为指数。

我国常用的α值分为三类，分别为0.12，0.16和0.20。按公式计算见表3。

表3 不同粗糙度地形及各离地高度风速相对 10 m处比值

2010年4月26日，德国Norddeich附近，北海地区首个近海风力发电厂。摄影//CFP/CFP

风力发电机最好安装在地面较平滑，障碍最小和最少的地方，即粗糙度小的地方。若因条件所限不得不设在粗糙的地面上，则发电机的轮毂高度就应比光滑地表上高度要高。此外若要使给定的风机达到最大的出力，唯一的办法是增加塔架高度，所以有人说增加风机动力输出最廉价的方法就是使用更高的塔架。

四是风机间距的影响。建设风场，风力发电机组之间必然会产生相互干扰的问题，受风力发电机组尾流中产生的气动干扰的影响，下游风轮所在位置的风能平均量及时间量将会减少，从而造成电量下降。另外由于尾流中附加的风剪切和湍流作用，使风轮受到附加的脉动气动载荷，风轮结构产生振动，增加了疲劳损伤度。

建设大型风电场必须研究风机之间的最小距离，即考虑风吹过风机后，在多远之后才恢复到原来的速度，以防止各个风机的相互影响。实际上将各风力发电机组安装间距扩展到没有尾流的距离是不现实的，因此，在进行多台风力发电机组安装间距选择之前，必须要参考风向及风速分布数据,同时也要考虑风电场长远发展的整体规划、征地、设备选择、运输安装费用、风机尾流作用、环境影响等综合因素。一般的选择是：安装间距要满足风场总体效益最大化的目标，同时满足适当的条件限制。通过对国内外风电场多年建设运营经验分析发现，风力发电各风机的间隔至少应有六倍叶轮直径长度的距离，当风机间距为6-8倍叶轮直径时最为理想。此外，大气湍流造成风的阵性也应考虑，这对水平轴风机有损坏作用。

五是障碍物的影响。当风由空旷地吹向森林时，在森林的迎风面，一部分气流进入林内而减弱，另一部分气流因林墙阻挡，在林子前面形成涡流，由于气流方向的改变风速相应减低。在森林的背风面，由林冠上方向下滑动的气流，一部分在林后滑动，形成弱风区，一部分经过一定距离之后才着陆。气流遇到疏透结构林带时，一部分从上面越过，另一部分透过林带，在背风面形成弱风区，最低风速约出现在距林缘3～8倍林木高度之间。一般来讲，风机位置选择应尽量避让林地，与林地距离尽量保持在10倍林木高度以上。

在房屋附近安装风力发电机可视为机组周围有障碍物，同时避免噪音对居民的影响，布机遵循如下原则：第一，安装在主风向的上游（图2中I区位置）；第二，与房屋（障碍物）的距离应尽量保持在风力发电机组风轮直径的5倍以上；第三，机组塔架应尽量高出房屋（障碍物）1倍的机组风轮直径。

图2 流过障碍物的气流区

上：三亚：“风-光互补”节能路灯成街头新景。 摄影/石言/CFP

下：2010年8月24日，英国北约克郡，西欧最大的煤电厂Drax附近新建了一个风能农场。摄影/Christopher Furlong/Getty Images/CFP

微观选址原则。风力发电机组的布置，要充分考虑各方面的影响因素，有以下几点：

一是风电机组尽可能布置在风功率密度较高、发电量较大的位置，充分利用风能资源。

二是根据风电场盛行风向，确定合理的行列距，减少风电机组相互间尾流影响，增加发电量；根据风向和风能玫瑰图确定主导风向，遵循在盛行风向上按照机组间距6倍以上风轮直径，垂直于盛行风向上4倍以上风轮直径的方式。

三是综合考虑风电场的电气、运输、施工安装，尽量减少风电场配套工程量投资；考虑风电场未来的运行和管理的方便。

四是风力发电机组布置尽量集中，减少风电场地占地面积；尽量使用未利用地和荒地、不占用或少占用耕地。

五是在风电场微观选址布置各机位时，应考虑场内已有的高压线路和村庄房屋等影响因素；尽量远离居民点，以最小距离500m控制，避免建成后风电机组运行噪声等对当地居民造成干扰和影响。

六是风电机组单机尾流影响系数不高于10%，风电机组机位地形坡度不大于15度。

七是风电机组应避开军事、环境保护、文物等敏感区域。

八是尽量考虑与周边风电场风电机组相互避让。

九是风机排布要考虑防洪问题，要避开洪水的汇集处和主要流经地。

十是风机与场内高压输电线路的距离要不影响风机吊装、运行维护和正常运行中的安全。

十一是风机与场内公路、铁路、煤气或石油管线等设施的最小距离，要满足国家法律、法规的有关规定。

微观选址流程。一是现场工作流程。了解风电场场区地质条件、地形地貌、测风塔位置、场地条件、场区内树林、农田、房屋等分布情况。

在已确定开发建设的场区内，风电场宏观选址后，根据风能资源勘测评估分析结果，充分利用风能分布较优的位置，在风能最大点初步布置机位，然后再结合地形地貌特点考核机位，以规避农田、林地、湖泊及其它地面障碍物。同时考查机组施工安装条件的选择是否合理，如吊装空间、吊装设备摆放及进出道路、设备堆放等，经过综合经济技术比较，最终确定风力发电机组的微观位置。

二是软件计算流程。目前，国内微观选址通常采用国际上较为流行的风电场设计软件WASP及WindFarmer进行风况建模，过程如下：

根据风电场各测站订正后的测风资料、地形图、粗糙度，利用轮毂高度的风资源栅格文件满足精度及高度要求的WindFarmer软件的三个输入文件，包括：轮毂高度的风资源栅格文件、测风高度的风资源栅格文件及测风高度的风资源风频表文件。

采用关联的方法在WindFarmer软件中输入WASP软件形成的三个文件，输入三维的数字化地形图(1∶10000或1∶5000)，地形复杂的山地风电场应采用1∶2000地形图，输入风电场空气密度下的风机功率曲线及推力曲线，设定风机的布置范围及风机数量，设定粗糙度、湍流强度、风机最小间距、坡度、噪声等，考虑风电场发电量的各种折减系数，采用修正PARK尾流模型进行风机优化排布。

根据优化结果的坐标，利用GPS到现场踏勘定点，根据现场地形地貌条件和施工安装条件进行了机位微调，并利用GPS测得新的坐标，然后将现场的定点坐标输入WindFarmer中，采用粘性涡漩尾流模型对风电场每台风机发电量及尾流损失进行精确计算。

2010年12月7日，湖北利川，齐岳山风电场进行最后的调试，这标志着湖北省最大的风力发电场即将投入运行。 摄影/沈祥辉/CFP

结束语

风电场风资源分析是风电场开发的基础因素，能否客观、准确的掌握其风能资源状况是项目成功和避免投资风险的关键。风电场微观选址是比较复杂的，考虑的因素也是多方面的，因此在选址中务必要按照程序和技术规则有序进行，并在操作中根据现场的实际情况进行调整并不断累积经验，这样才能充分利用当地的风资源优势，使风机最优化地工作，以保证风场投资回报率。