风力发电机组光影闪变分析

何 一，孙 庆

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 风电发展概况

我国风力发电发展迅速，截至2016年底，全国风电并网装机容量达到14 864万kW，风电年发电量2 410亿kW·h，同比增长29%，约占全国总用电量的4%。根据“十三五”规划，到2020年，我国的风电装机容量预计将达到2.1亿kW，年发电量达到4 200亿kW·h。目前已建成的风力发电机组近10万台，在全国范围内广泛分布，作为一种工业设备，在噪音、光影等方面不可避免地对附近居民正常的生产生活产生影响。

2 光影闪变影响

目前常用机型额定风速下转速为10～16 r/min。风电机组桨叶在风力的推动下旋转，在有阳光的时候，因叶片转动而形成叶片在地面上投影有规律的隐现，被称为光影闪变。光影闪变区示意见图1。光影闪变会对动物和人的视觉系统产生影响，属于光污染的一种。人长期、持续处于光影闪变之中，会因视觉疲劳影响中枢神经的正常功能，出现眩晕、烦闷、恶心等症状。

由于风机技术的发展，风电机组未来的发展趋势是更高轮毂、更长叶片、更大容量。轮毂和叶片的长度增加带来投影面积的增加，光影闪变影响的范围将进一步扩大。目前光影闪变影响的最大距离已经超过了噪音影响的标准范围，由于国家还未出台相关的强制规定，在风机选址时未作为主要因素进行考虑，在部分地区甚至出现了风机光影闪变投射到居民院落内、房屋窗户上的情况，对居民的生活健康带来一定的影响。

目前，正在制定的相关规程规范已经考虑光影闪变的相关影响。光影闪变的敏感区域初步划定为每年不超过30 h。

图1 光影闪变区示意

3 光影闪变时长理论计算方法

受太阳位置的影响，我国北回归线以北的区域风机光影闪变出现在风机位置以北，北回归线以南区域风机光影闪变集中在风机周边及偏北区域。光影影响范围的大小取决于太阳高度角，太阳特征角度示意如图2所示。其计算公式如下：

h=arcsin(sinΦsinδ+cosΦcosδcosω)

(1)

式中Φ——地理纬度；

δ——太阳赤纬角；

ω——太阳时角。

赤纬角δ计算公式如下：

δ=23.45sin[360×(284+n)/365]

(2)

式中n——计算日在一年中的天数序列。如：2月10日为一年的第41天，则n=41。

图2 太阳特征角度示意

太阳时角ω计算公式如下：

ω=15 ×(12-e)

(3)

式中e——计算时刻。如：计算9点的太阳时角，则e=9。

计算得某一时刻的太阳高度角后，可计算此时的叶片的阴影长度L。

L=D/tan(h)

(4)

式中D——叶片翼尖距地面的高度。

某一时刻太阳所处方位角γ计算公式如下：

γ=arccos[(sinΦsinh-sinδ)/cosΦcosh]

(5)

根据方位角计算结果，北半球在每年的春分前和秋分后，早上太阳从东南方向升起，中午运行至最北处，傍晚从西南方向落下，越接近冬至日早晚偏南越甚；春分和秋分之间，早上太阳从东北方向升起，中午运行至最南处(北回归线以北区域正午太阳位置都位于风机以南，北回归线以南区域部分时间可位于风机以北)，傍晚从西北方向落下，越接近夏至日早晚偏北越甚；仅春分日和秋分日太阳从正东、正西方向升起和落下。南半球情况与北半球刚好相反。

4 光影闪变理论时长范围分析

机组所在地的纬度、轮毂高度、叶轮半径、叶轮方向等，都会影响叶片的投影范围。当叶轮方向(即风向)为南北向时，综合计算一年的投影面积最大。下面以主风向为南北向，纬度30°，轮毂高度80 m，叶轮半径60 m的机型为典型，以间隔10 m为单位网格分析各类因素变化对光影闪变理论时长的影响。

统计计算方法：通过计算某一时刻叶片翼尖旋转一周在各个位置时的投影长度和方位，模拟出该时刻地面上叶片光影闪变的范围。通过编制软件对一年每10 min时间序列的投影范围进行计算，统计出风机附近各网格点处于投影范围内的时间长度，即该点一年内理论上发生光影闪变的时长。通过对同一时长点的连线，即可获得该光影闪变时长涉及的区域范围。

4.1 纬度对光影闪变时间的影响

对北半球纬度分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°处单个风机的光影闪变范围进行计算，年光影闪变时间超过30 h的范围见图3。影响区形状为蝶型，影响面积为0.2～0.55 km2，影响面积见图3。随着纬度的增加，30 h光影闪变范围增加，且增加幅度越来越大。最长光影闪变时间的位置一般出现在风机位置正北处，纬度0°时出现在正北和正南各10 m处，时长约775 h；随纬度升高，距风机距离和时长均增加，当纬度40°时出现在正北40 m处，时长约1 253 h；纬度进一步升高后，距风机距离继续增加而时长减少，当纬度60°时出现在正北80 m处，时长约916 h。随纬度的升高，东北东和西北西方向的30 h光影闪变范围增加缓慢，而偏北方向的30 h光影闪变范围增加很快，光影闪变最远方向也随之发生偏转。不同纬度处30 h光影闪变影响参数见表1。

图3 不同纬度处30 h光影闪变范围(单位：m)

表1 不同纬度处30 h光影闪变影响参数

4.2 不同机型对光影闪变时间的影响

对不同轮毂高度、叶片长度机型的光影闪变情况进行比较，各机型光影闪变影响面积见图4。轮毂高度的增加在南北方向的光影距离增加影响较大，而叶片长度的增加对东西方向的影响较大。不同机型30 h光影闪变影响参数见表2。

图4 不同机型30 h光影闪变范围(单位：m)

表2 不同机型30 h光影闪变影响参数

4.3 光影闪变时长影响范围

对典型机型进行计算，其光影闪变时间在30 h、60 h、90 h、120 h时的范围如图5所示。30 h时的影响范围约为0.271 km2，投影最远距离出现在东北东(ENE)和西北西(WNW)方向，最远距离约496 m，其次为东北(EN)和西北(NW)方向，最远距离约474 m。最长光影闪变时间的位置出现在风机位置正北30 m处，约1 123 h。随着闪变时长的增加，影响面积逐渐减小，减幅递减。从投影范围分析可知，北半球冬春季节早晚时段的投影对阴影闪变面积影响最大。不同光影闪变时长影响参数见表3。

图5 不同光影闪变时长范围(单位：m)

表3 不同光影闪变时长影响参数

5 对光影闪变时长的其他影响因素

以上就特定状态下风电机组的光影闪变理论时长及影响范围进行了分析，在实际工程中，还有多种因素会影响光影闪变的时长，主要有以下方面：

(1)天气因素。出现多云、阴雨天的情况时，不存在地面投影，会减少光影闪变的时长。

(2)风向因素。在主风向非南北向时，会减少某些方向上的光影闪变时长及总的影响范围。

(3)风力因素。在风力小于启动风速时，或机组故障停机时，风机桨叶不会转动或极缓慢转动，此时有阴影但不形成闪变。我国大多数地区上半天的风速较小或无风，风电机组西北方向的光影闪变将比理论值偏小。

(4)地形因素。周边地形起伏形成与风机位置的海拔高差，会带来投影距离增减。

6 结 语

光影闪变是光污染的一种，对人体健康会造成一定的损害。通过对光影闪变时长和范围的计算，掌握光影闪变的严重影响区，可有效规避场区附近的建筑物，使风力发电充分发挥其环保、绿色、可再生的优势，更好地与人民群众的生活有益结合，促进可再生能源的和谐发展。