基于WindPRO软件的风电场光影影响精确评估方法研究

严 天,李永亮,2,杨 昆,郭 斌,2

(1.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310000)

1 引言

为践行“2060碳中和”承诺，我国加快了由传统火电向清洁能源的转变进程。风电作为国家战略性新兴产业之一，在产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下快速发展。截至2020年，我国风电发电量达到4665亿kW·h，总计装机容量达281.5 GW，年新增71.67 GW，占全国电源新增装机容量的37.5%[1]。随着风机投入运行，与风场伴生的，对人居环境的影响逐渐显现，其中比较突出的是噪声和光影问题。长期处于风机不断闪烁变化的光影范围内可能会对居民的视觉和神经系统造成不良影响。如被投诉，风场的建设进程和运营将受到制约，使业主蒙受经济损失。因此，有必要在选址环评阶段提前介入，得到相对准确的预测结果及评估建议，规避后续风险。

本文以我国不同地形风电场为例，通过对光影影响进行计算和分析，分析了多纬度、多地形风电场光影效应的特点，并比较了多种窗型受光影影响的效果，从风场选址、附近民居建设等角度分别提出解决方案，以期为同类项目提供参考和借鉴。

2 风机光影传统计算方法

由于地球的自转，一天之内，阳光入射的方向与地平面的夹角不断变化，这个夹角即为太阳高度角。当这个角度不等于90°时，阳光会将物体投射在地面形成阴影，阴影随风机运行而旋转，在投影面上形成闪烁的效果，这一现象称为风机的光影影响，投射阴影的距离称为光影影响范围。传统计算阴影范围的方法如下：

(1)太阳高度角计算[2]：

h0=arcsin[sinφsinσ+cosφcosα]

(1)

σ=arcsin[0.006918-0.39912cosθ0+0.079257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.00148sin3θ0]

(2)

α=15t+λ-300

(3)

式(1)～(3)中，h0为太阳高度角(°)，φ为当地纬度(°)，σ为太阳倾角(°)，θ0为360n/364(°)，n为一年中的第n天，n=0,1,2,…,364，t为进行观测时的北京时间，λ为当地经度。

(2)投影距离计算：

L=D/tanh0

(4)

式(4)中，D为风机高度，L即为风机光影影响距离。具体过程如图1所示。

图1 阳光经风机投射形成阴影示意

从定义来说，光影影响的范围取决于太阳高度角的大小，高度角越大，风机的投影越短；角度越小，投影越长[3]。同时，高度角小，太阳辐射强度也小，风机光影影响越弱。

3 光影影响判定及传统评估方法局限

目前，我国尚未出台明确标准判定光影影响，国际上仅德国有详细的指导标准[4]。该标准定义，太阳入射角应至少高于3°，且受体应至少有20%的阳光被风机叶片遮挡，才可认为形成光影。对光影影响效果，标准中具体规定：

(1)在最坏情况(假设从日出到日落太阳一直能照到窗口，风机一直在运行，风轮始终朝着与临近物体正交方向)下，每年光影最大有效影响时间不得超过30 h，每日最大影响时间不得超过30 min。

(2)如果风机可自动调节，则实际影响时间应限制在每年8 h之内。

该标准从时间尺度上评估光影影响，基本覆盖了风机的运行情况。而传统方法是从距离尺度得到的计算结果。以往计算光影距离时，学者主要采用以下两种方法：①根据冬至日太阳高度角计算阴影范围。太阳的高度角在冬至日全天达到一年中最小值。早期，计算我国大部分地区风电场光影防护距离时，多数学者选择冬至日9：00～15：00作为风机光影影响时段[5～7]进行计算，对应结果为高度角最小时对应的极限最远距离。在此安全距离下，风机不会对附近居民区产生任何影响；②通过实测，并结合噪声距离给出经验值。一般认为，对常规尺寸风机，低地丘陵、山地地貌风场可设置500 m距离带，即可排除噪声、光影影响[8]。

显然，从距离尺度评估结果是较为保守的。根据该结果，房屋处受光影影响的小时数为0。而受大气特性、山体遮挡等多因素影响，实际光影在达到地面或房屋前很可能已衰减并消失[9]，按公式计算的结果会高估影响距离。其次，考虑到天气与时段的关系，在我国全年多雨的南部地区，阴天率较高，实际日照不满足从日出到日落的理想情况[10]。

随着风机与居民区的进一步接近，该保守值将无法满足将来的风场规划需求。对风资源差异较大的山地项目来说，土地资源受多因素限制，如参考保守距离，将会造成机组可选地理空间的大程度缩减，无法发挥当地风资源的最大潜能，使风电场经济效益下降。对光影影响计算亟待找到一种基于当日气象条件、当地地形地貌等多因素考虑的，更为精确地评估判定方法。

4 风机光影影响评估方法

4.1 软件介绍

本项目使用的分析软件为WindPRO。WindPRO是丹麦EMD公司开发的一款用户可根据需要自主选择模块的风电场规划设计软件。该软件的光影模块具有高度可视化功能，以图形方式设置风机和房屋，并对给定位置的潜在阴影进行模拟计算，输出影响范围的可视化结果。

4.2 光影模块计算原理及模型

首先，根据给定的地理位置，可得到机组处以日为单位的日出日落时间。再根据机组尺寸参数和太阳高度角参数，以1 min为步长，计算各机组每日的光影变化规律和影响时段，进一步通过统计得到全年累计值。WindPRO中默认：一般风机2 km以外为阴影可见的最短距离。

考虑到村落房屋密集分布的特性，计算模型把成片房屋简化为一个方形窗户受体。本模型假设：地理位置相距较近(房屋之间最远横跨距离为100 m)、同一朝向的房屋，窗户采光情况一致。阴影受体的参数设置遵从该片区域房屋的典型窗户特征：窗户距地面1.0 m，宽、高均为1.5 m，窗口斜度为90°(窗户平面与地面垂直)；朝向的选择结合Google Earth上房屋布置判定。该计算模型需要输入：风机的位置和尺寸信息，具体表现为坐标、轮毂高度和转子直径；房屋的位置和尺寸信息，具体体现为坐标、窗户的尺寸及其角度，包括朝向(相对于正南方旋转的角度)和倾斜(窗户平面与水平面的夹角)等；项目地理位置(经纬度)；时区和夏令时信息等。

5 案例分析

5.1 项目概况

本文以真实项目为基础，选取不同纬度的典型平原、丘陵、山地地貌项目分别进行研究。各项目中机位与居民区相对位置如图2所示。

项目A位于黑龙江省鸡西市境内，属于我国高纬度带。整场海拔落差在100 m内，属于丘陵地貌。机位遵循风速最优原则错落布置，附近以农田为主，居民区较少。

项目B选址地位于河南省商丘市境内，属于我国中纬度带。拟规划6台机位。项目地形平坦，机位间海拔无显著差异，海拔41～45 m。当地农田遍布，村落群居特征明显，与风机十分接近；加之无山峰遮挡，光影影响预计较为严重。

项目C位于江西省瑞昌市境内一处山脊上，纬度较低。该项目山势沿东西走向，整体海拔呈东低西高趋势，在350～600 m之间。机位均布置于山顶，排布较为密集，海拔高差最大值为300 m。山脚下低洼处有成片居民区，主要位于山地北侧，与机位最近距离为300～400 m。

三项目均采用统一机型，机型参数如表1。

图2 机位及居民区分布

表1 机型参数

项目机位与居民区的距离分为按500 m、800 m、1000 m划分，并统计居民区个数如表2所示。参考2020年气象数据作为评估条件。

表2 机组与村庄的距离

5.2 计算结果

计算得到最坏情况下每年总阴影小时数分布情况如图3所示。从图3中可以看出，由于纬度不同，各项目的阴影小时数等值线圈分布呈现显著差异。对于项目B这类平原地貌，光影范围呈较强的规律性，等值线圈接近中心对称式的“蝶状”分布，在0～30 h等值线之间存在较长的过渡带，约长1.6 km。对于项目A这类丘陵地貌，海拔起伏小，阴影等值线圈为“蝶状”的变形，过渡带较短，约长0.16 km。高纬度地区太阳高度角较小，同时年日照时长较短，因而阴影影响范围也较小。随着纬度的降低，范围将不断扩大。另外，两项目地形海拔起伏均较小，阳光投射无山体遮挡，因此阴影等值线范围呈现相似规律。而对于项目C这类海拔差较大的山地地形，等值线圈变形更为严重，分布范围整体向北偏移。从数值上，山体北侧的30 h等值线距机位的距离最远可达1.6 km，而南侧的等值线分布与机位最远距离不超过1.0 km，北侧范围显著大于南侧。这是由于，项目地处北纬地区，随着地球自转，太阳总是从机位南部的上方将其投射向地面，因此位于风电机组北侧的区域受到光影影响会更为显著。

综上，由于我国处于北纬地区，北侧居民区受光影影响不可避免，而山地风场的北侧阴影范围显著大于南侧，因此建议在山地风场选址阶段，即选择山体北侧民居更少的区域。此外，上述3个项目中，阴影30 h等值线距风机的东西向距离范围约宽0.9～1.5 km，无显著差异。

上述结果出于地形、纬度差异角度进行考虑，而实际情况中，房屋朝向也可能有所差异。以项目C为例，各朝向不同的房屋受影响情况如图4所示，代表阴影受体的伞状图标的“伞柄”朝向与房屋朝向一致。计算的年、日影响时间在图5中展示，黑点对应房屋与正南方向顺时针夹角值。依据窗户朝向，可将机位分为两部分：一为T19～T26附近民居，房屋朝向均朝正南方向，对应图5中A～E区域；二为T1～T12附近民居，基本不朝正南方向，对应图5中F～K区域。选择的11个点位中完全符合德标的仅G、K两片居民区。而实际上，当地真实日照情况应弱于最坏工况，即日照时长更短。可以推知，真实情况下，B、F区域小时数也可满足德标。A～E区域年平均阴影小时数比F～K高56h。这与光的入射方向和强度变化相关。当阳光与窗户存在偏角时，由风机投射到窗口的阴影面积需乘以该夹角的正弦值。随着日渐西斜，光强减弱，阴影面积进一步减少，故“斜窗”受光影影响更小。

图3 每年阴影小时数等值线分布

图4 每年阴影小时数分布范围

图5 光影影响小时数计算结果

进一步探究窗户尺寸、离地高度、朝向及与地面角度等一系列因素对光影效果的影响。选择一虚拟受体A，设置不同工况，得到对应每年阴影小时数如表3，工况间差异比较如图6所示。结合数据和线图结果分析，得出结论：①窗面沿正南向西偏离的角度越大，年阴影小时数、年阴影天数越小。当房屋朝向已经固定，则可考虑将光影算法与自动控制系统相结合[11～13]，控制风机转子面偏角，使风机自动转向，既弱化了光影影响，同时也能保证经济效益;②光影影响程度随着窗户斜度的区间变化而变化。当窗户斜度在60～90°之间时，年阴影小时数无变化，保持为最小值；30～60°之间，年阴影小时数和天数随斜度减小而增大，当斜度达到0～30°时，年阴影小时数提升10.3%，且保持不变。因此，建议风机附近的民居窗型设计避免“天窗”或斜度低于30°;③改变窗户尺寸、增高窗户离地高度等措施对减少光影效应几乎无作用。

6 结论

针对传统工程算法不准确、分析结果无法用于控制等弊端，本文提出了一种基于WindPRO软件的精确分析光影影响的方法，在时间尺度评估了多纬度、多地形风电场光影效应的特点，并比较了多种窗型受光影影响的效果，进一步得到解决方案。主要得到如下结论：

(1)传统计算方法计算得到的光影距离大幅度高于实际值，有必要从时间尺度上进行详细评估。

表3 不同工况下阴影小时数对比

图6 不同窗型对应年阴影小时数

(2)随着纬度的增加，影响小时数在0～30 h间的光影闪变范围随之增大。

(3)以风机为中心，年阴影小时数在30 h及以上的影响范围，东西纵向约宽0.9～1.5 km，且不受纬度影响。

(4)对于北纬地区的山地风电场，位于机组北侧的区域受到光影影响比南面更为显著，建议选择山体北侧民居较少的区域建场。

(5)窗面自南向西偏转的角度越大，年阴影影响时间越少。可考虑将光影算法与自动控制系统相结合，控制风机转子面偏角，使风机自动转向，使得获得较高经济性时阴影效应较小。

(6)窗户斜度越趋向于0，阴影小时数越大，建议风机附近的民居窗型设计避免“天窗”或斜度低于30°。

(7)改变窗户尺寸、增高窗户离地高度等措施对减少光影效应几乎无影响。

有时，风机桨叶转动带来的阴影闪烁被认为是一种视觉污染，但当该景观出现在荒漠戈壁时，却可以增加视觉美感，成为绝佳风景。大量案例证明，风电场的设计，不应该仅仅是在经济之优与环境之美间的单向选择，还需要详细的现场调查、真实情况的收集，运用得当方法精确分析，达到共赢。