多因素影响下的风机闪烁光影分析与应用

裴焕金，李永亮，杨 昆，郭 斌

(1.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310000)

在“碳达峰，碳中和”的时代背景下，风力发电作为一种利用率较高的可再生能源而得到了快速发展[1]。随着风机逐渐遍布我国大江南北，风机对周边环境的影响也日益暴露，并逐渐引起人们的关注，其中风机闪烁光影影响是风机产生的一种较为严重的污染[2]。闪烁光影投在公路上，会对驾驶产生干扰；投在居民点，会对人的视觉和神经系统产生不良影响等[1,3]。因此，精准评估风机光影对周边环境的影响，并利用风机光影长度和风机与敏感点之间的角度，合理减小甚至避免敏感点风机闪烁光影影响，已经成为风电场能否成功建设和运行的前提条件。

目前，已有学者粗略地计算了风机北侧光影影响。文献[4-6]阐述了风机光影计算原理，论述了前期评估风机光影的重要性。文献[7]指出了仅以冬至日正午时风机光影长度作为影响范围半径的不合理性。文献[8]分析了以冬至日风机光影影响代表全年影响的原因，计算了风机光影影响的范围和长度。文献[9]基于ArcGIS软件，对风机光影进行定量计算，并在平面图上反映风机光影的时空特征，便于风电场微观选址。文献[10]改进了风机光影计算的方法，分析了冬至日风机光影对北侧影响的最大范围。大部分学者集中分析了冬至日风机叶片运行至最高点产生的光影影响(以最大光影长度为半径，圈定风机北侧的半圆为风机光影影响范围)，未考虑我国部分城市位于南北回归线之间，风机在南侧也有光影影响；没有分析风机实际运行时风速过小或过大导致的停机等因素的影响，也没有研究风机运行时合理避免闪烁光影影响敏感点的措施。

为了计算风机实际运行情况下闪烁光影对周围敏感点的影响，本文建立了考虑风速、风向和辐照强度等约束影响下的风机闪烁光影逐时计算模型，分析了位于南北回归线之间风机的闪烁光影对敏感点的影响(计算了风机叶片运行至最高点和最低点产生的闪烁光影对风机南北侧的影响)，透析了不同纬度下风机产生光影影响角度和光影长度的特点。通过案例计算获得的风机闪烁光影影响角度和光影长度，剖析了避免光影对敏感点产生影响的措施。

1 光影模型

地球自西向东自转，太阳在南北回归线之间运动，且东升西落。风机位于太阳北侧时，风机对北部区域有光影影响；风机位于太阳南侧时，风机对南部有光影影响。通常风电机组的光影影响范围取决于太阳方位角和高度角。太阳方位角决定风机光影的投射方位；太阳高度角决定风机光影的长度。

我国位于北半球，冬至日太阳高度角最小，太阳照射产生的光影最长，但太阳高度角越小，太阳辐射强度就越小，风机光影影响越弱。我国各地区冬至日日出和日落时间不同，选取每日上午9时至下午15时为风机光影影响时段较为合理。

1.1 光影角度

光影影响角度为太阳在上午9时和下午15时走过角度的反向夹角。太阳方位角是指太阳光线在地平面上的投影与正南方的夹角。太阳方位角计算公式如下：

cosA=(sinh×sinφ-sinδ)/(cosh×cosφ)

(1)

式中：h为太阳高度角；φ为观测地纬度；δ为赤纬角。

太阳高度角的计算公式为

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(2)

式中，t为时角。

太阳赤纬角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。赤纬角是由于地球绕太阳运行造成的现象，以年为周期，在+23°26.5′与-23°26.5′之间移动。赤纬角计算公式如下：

δ=23.45sin[360×(284+N)/365]

(3)

其中，N为日数，自每年1月1日开始计数。

时角为单位时间内地球自转的角度，规定上午时角为负值，正午时角为0°，下午时角为正值。计算公式如下：

t=15(n-12)

(4)

其中，n为每天小时数。

1.2 光影长度

光影影响距离是指风电机组产生光影的长度，计算公式如下：

L=D/tanh

(5)

式中：L为风电机组影子长度；D为风轮旋转至最高点时的风机高度；h为太阳高度角。

2 闪烁光影模型

静止的光影不会对环境造成较为严重的污染，如树影。仅闪烁光影会影响人和动物等神经系统。风机闪烁光影是指风轮旋转过程中产生的光影。风机闪烁光影是否影响敏感点，受到太阳高度角、风机和敏感点之间相对位置、风轮的迎风方向等因素限制。下面建立不同约束条件下风机闪烁光影模型。

1)使用第2节光影模型计算风机旋转至最高点和最低点光影长度和方位角。

2)从风机光影角度出发。风机在1 d中仅能对一定角度内的敏感点造成影响，如北回归线以北的风机仅对机位点北侧的一个固定角度内的敏感点产生影响。

3)从风机光影长度出发(考虑叶片安装倾角)。仅风机形成闪烁光影的方式满足下列两种情况，才能对敏感点造成闪烁光影的影响，如图1所示。①叶片旋转至最高点TH产生光影超过A点，叶片旋转至最低点TL产生的光影未超过A点(AB为敏感点长度)。②TH产生光影超过A点，TL产生的光影超过A点，未超B点。

图1 闪烁光影影响范围

4)从风向条件出发。风机要随着需求偏航迎风或避风，产生的光影也在移动，计算每个风向下风机光影影响。

5)从风速条件出发。以风机的切入风速和切出风速为约束，筛选代表年中满足条件的风速对应时间点。

6)从辐照强度条件出发。辐射强度较小时，不会产生光影影响，筛选典型年辐照强度较大的时间点。

在上述约束条件限制下，该光影计算模型能模拟出风机实际运行条件下产生的闪烁光影影响结果。

3 案例分析

3.1 模型计算

本文使用我国南部某地区分散式风电场项目1台风机作为案例进行分析。机位点坐标如表1所示(下文中平面坐标均为CGCS2000)，敏感点坐标如表2所示，敏感点为散居的居民点，机位点和敏感点位置如图2所示，机位点和敏感点的直线距离如表3所示。该地区典型年逐时风速如图3所示。

表1 机位点坐标

表2 敏感点坐标 m

图2 机位点和敏感点位置

表3 机位点和敏感点之间距离 m

图3 典型年逐时风速

由于该项目处于南北回归线之间，全年内风机在机位点南北方向均有投影。①当赤纬角小于当地纬度时，风机光影主要投射在机位点北侧。计算获得冬至日风机叶片旋转至最低点和最高点的闪烁光影长度和角度如图4所示；②当赤纬角大于当地纬度时，风机光影主要投射在机位点南侧，计算获得夏至日风机叶片旋转至最低点和最高点的闪烁光影长度和角度如图5所示。图中叶片旋转至最高点和最低点的光影长度差值即为风机的闪烁光影长度，以正东方向为零度线，逆时针旋转所夹角度为横坐标。本文模型和WindPro软件计算获得的全年光影影响时长如表4所示，计算模型(本文模型仅计算叶片旋转产生的闪烁光影)和框选敏感点的方式不同造成了一定的误差(光影在不同位置影响距离和影响时长的误差)，但相对全年总时长，误差较小，故认为本文模型是正确的(后期增加测量实验)。

表4 光影影响时长 h

图4 冬至日光影长度

从全年光影计算结果中可以看出，冬至日风机光影仅能囊括风机对机位点北侧部分角度内的影响，夏至日风机光影仅可以囊括风机对机位点南侧部分角度内的影响，全年风机闪烁光影覆盖机位点四周。从图4中可以看出，冬至日风机闪烁光影较长，影响角度较小；太阳从南回归线运行至当地纬度期间，光影角度逐渐增大，光影长度逐渐减小。从图5中可以看出，夏至日闪烁光影长度较短，但影响角度较大，太阳从当地纬度运行至北回归线期间，光影角度逐渐减小，光影长度逐渐增大。赤纬角和当地纬度差值越大时，风机光影影响角度越小，光影长度越大；反之，风机光影影响角度越大，光影长度越小。因此，可以利用风机产生的闪烁光影影响角度和影响长度，平移风机，避免风机对机位点南侧和北侧产生的闪烁光影影响。

图5 夏至日光影长度

3.2 约束折减

Step 1：风向筛选，该地区典型年风向频率如表5所示。根据敏感点受影响角度范围，筛选受风机闪烁光影影响的风频区间，筛选风向作用下风机产生闪烁光影影响的时间点。

表5 风向频率

Step 2：风速筛选，寻找风机正常运行情况下有光影影响的时间点，本文仅搜寻全年风速在[3，25]区间内的时间点，1表示真，0表示假，计算结果如图6所示。

图6 风速筛选点

Step 3：辐照强度筛选，搜寻全年辐照度大于120 W/m2的时间点。该地区全年辐照时长约为1 500 h，折合至每天约为4.1 h。

经过上述三个约束条件筛选后，全年风机对4个敏感点闪烁光影影响时长如表6所示，从表中可以看出，未考虑约束前计算获得的风机闪烁光影影响时长比风机实际运行中产生的光影影响时长偏大，本文考虑多因素约束下的光影计算模型也更为准确。

表6 折减后光影影响时长 h

3.3 实际应用

本文案例中风机对机位点南侧敏感点无影响(该纬度下风机在南侧产生的光影长度较小)，故只需通过调整风机位置，使风机闪烁光影也不影响北侧敏感点即可。根据案例计算结果可知，风机在北侧的闪烁光影长度由正北向东和西方向先增大后减小。本文可平移机位至一个敏感点M3/M4正南方向，相对另一个敏感点M4/M3偏向正东或正西方向，使得风机对2个敏感点方位光影长度较小。如把JWD1移至JWD位置处，如图7所示，平移后的机位点和各敏感点之间的距离如表7所示。使用本文模型计算显示，平移后风机不对敏感点产生闪烁光影影响。因此，针对不同纬度产生的光影影响角度和光影长度不尽相同的特点，向不同方向略微平移风机位置，可以合理避免风机对敏感点产生闪烁光影影响。

表7 平移后风机和敏感点之间距离 m

图7 移动后的机位点

4 结 语

本文建立了考虑风速、风向和辐照强度等因素影响下的风机闪烁光影计算模型，计算了风机叶片旋转产生的闪烁光影对周围敏感点的影响(闪烁频率约0.003 06 Hz)，包括太阳运动至风机北侧，对风机南侧敏感点的闪烁光影影响。获得了多种因素约束下风机对敏感点产生的闪烁光影影响时长为29 h，比考虑约束前减少了49 h，精细化了风机闪烁光影计算模型，提高了风机闪烁光影计算精度。

根据风机闪烁光影对南北侧敏感点影响角度和影响长度的特点(风机位于不同纬度时，风机产生的光影影响角度和光影长度大不相同)，分析了减小风机闪烁光影影响的措施：①风机机位点光影影响角度较小时，可通过东西移动风机位置，使得敏感点不在风机光影影响的角度范围内；②风机机位点光影长度较小时，可通过南北移动风机位置，使得敏感点不在风机光影影响的长度范围内。该措施为避免风机闪烁光影影响敏感点提供合理依据，便于风电场微观选址时优化风机排布。