西藏地區(qū)高原風電機組及開發(fā)方式選擇

孟正

摘要：西藏地區(qū)的風力資源較豐富，隨著社會經濟發(fā)展，當?shù)仉娏枨筮M一步增大，開發(fā)西藏風能資源是解決途徑之一。文章分析了西藏高原風電資源情況，闡述了西藏地區(qū)風電開發(fā)的可行性，說明了高原特殊環(huán)境對風力發(fā)電機組的特殊要求，提出了西藏地區(qū)風電開發(fā)方式選擇。

關鍵詞：西藏地區(qū)；高原風電機組；風電開發(fā)；風力資源；電力供應；電力系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）31-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.033

西藏地區(qū)位于中國西南邊陲，區(qū)域內的高山深谷相間，素有“世界屋脊”之稱，受海拔高度、長時間日照等因素，西藏高原形成了獨特的高原氣候。

西藏風能總儲量約為773TW。現(xiàn)階段，西藏能源已經基本建成以水力能源為主，可再生能源和油氣互補能源的可持續(xù)發(fā)展綜合能源體系。隨著今后社會經濟產業(yè)技術的進一步發(fā)展，西藏地區(qū)也將建設成為“西電東送”接續(xù)基地。風能作為清潔能源具有低碳、環(huán)保和可持續(xù)性，隨著社會經濟發(fā)展和產業(yè)技術的發(fā)展，其在西藏地區(qū)開發(fā)利用的前景十分廣闊。

1 西藏地區(qū)風電資源概況

1.1 平均風速分布情況

西藏地區(qū)具有大風持續(xù)時間長、風能分布地區(qū)廣等的特點，年平均大風日可達100～150d，最多可以達到200d，比同緯度中國東部地區(qū)（5～25d）多3～4倍。其中，全區(qū)風速高值地區(qū)為岡底斯山脈以及喜馬拉雅山脈之間的山谷地帶東段地區(qū)及西藏高原北部地區(qū)，年平均風速為4.0～4.3m/s；中值地區(qū)為帕里、普蘭、錯那及洛隆等區(qū)域，年平均風速為3.0～3.9m/s；低值地區(qū)為藏區(qū)其他區(qū)域，年平均風速僅為1.4～2.9m/s，其中昌都和芒康地區(qū)的年平均風速僅僅1.2m/s。

1.2 風能分區(qū)

風能分區(qū)的地理位置分布總體與當?shù)仄骄L速相對應進行劃分，按照全國風能資源區(qū)劃標準，西藏整體沒有風能資源豐富區(qū)及風能資源較豐富區(qū)，主要為風能資源可利用區(qū)。風能資源可利用區(qū)主要包括的地區(qū)有自那曲地區(qū)那曲縣到阿里地區(qū)革吉縣、念青唐古拉山以北（年風能功率密度約在53～122W/m2之間）、喜馬拉雅山北麓以及昌都地區(qū)的洛隆縣（年風能功率密度在56～75W/m2之間）。除上述地區(qū)以外的藏區(qū)都可認定為風能資源貧乏區(qū)。

2 西藏地區(qū)氣候對機組的特殊要求

2.1 空氣密度較低對設備的要求

大氣空氣密度隨海拔高度的上升相應下降十分明顯，如海平面標準大氣壓為1013.2百帕斯卡（760mm水銀柱），而西藏地區(qū)年均氣壓在652.5百帕斯卡以下（760mm水銀柱），不足標準大氣壓的65%，空氣密度在0.57～0.89kg/m3之間。此外，由于西藏地區(qū)平均海拔高，在同等溫度條件下，相應的空氣密度呈現(xiàn)顯著降低特點。

從表1中可得，相對空氣密度和相對大氣壓力都在隨著海拔高度升高相應減少。以風能資源可利用區(qū)的那曲地區(qū)（平均海拔4507m計）為例，空氣密度為0.731kg/m3，大氣壓力589百帕斯卡對應的相對空氣密度降低27%，相對大氣壓力降低了約41%。

此外，根據某風電場歷年統(tǒng)計數(shù)據可以得知：一旦空氣密度高于或低于年平均空氣密度設計值，風電機組輸出功率都會明顯低于設計值，出現(xiàn)風能資源利用損失情況，而且隨著實際空氣密度與年平均空氣密度的差值越大，相應的風電機組輸出功率損失越多。由上述情況，我們可以明確地得出發(fā)電功率受到空氣密度的嚴重影響，且與空氣密度成比例關系。

可根據發(fā)電機組的功率公式：

（P為功率、η為轉換效率、ρ為空氣密度、ν為水平風速、L為葉片長度）

得出在轉換效率、水平風速、葉片長度一定下，發(fā)電機效率與空氣密度成正比。

現(xiàn)階段，若將相同參數(shù)的風輪機葉輪直接應用于西藏地區(qū)高原風場，在相同風速下獲得功率偏低，相對于內地最大功率損失十分明顯，較低的空氣密度使得風機獲取提取能量的利用率下降，所以在高原風力發(fā)電機研發(fā)設計時，必須考慮海拔高度變化對空氣密度的影響，在機組設計過程中針對風力發(fā)電機應開展如加長葉片半徑、提高轉換效率等研究。

2.2 長時間日照輻射

西藏地區(qū)風能可利用區(qū)基本位于西藏西部及北部，這部分地區(qū)相應的太陽能資源也很豐富，全年日照時間可達3200～3300h。目前市場上的機組機艙外殼基本為金屬外殼，由于西藏地區(qū)空氣密度偏低，長時間、大輻射量的太陽直射機艙，很容易使艙內空氣溫度升高，在進行發(fā)電機組的選用時，首先考慮采用耐高溫絕緣材料及機組內部通風要求。

2.3 冬季長時間低溫雨雪天氣

西藏地區(qū)普遍為高寒地區(qū)，風能可利用區(qū)普遍存在雪、霧、雨、露等天氣現(xiàn)象。

由于遇到覆冰時，風輪機漿葉的重量分布變得不均勻，產生風輪運行不平衡現(xiàn)象，對風場安全運行、電力系統(tǒng)安全運行產生了較大的危害，同時對設備也易造成嚴重損害，尤其是風向儀、風速儀和風速平衡裝置等精密儀器，一旦覆冰情況發(fā)生，將造成機組控制不便、無法根據現(xiàn)場情況調整運行狀態(tài)等。

覆冰狀態(tài)下工作狀況十分不利于定槳距風力發(fā)電機組運行，高原型風機應多采用變槳距風力發(fā)電機組或主動失速型定槳距風力發(fā)電機組，這些類型的機組在控制系統(tǒng)上更加適合惡劣的氣候，也可考慮采用槳葉內部加裝加溫裝置、實時監(jiān)控除冰作業(yè)等方式保障機組安全運行。此外，針對發(fā)電機位于室外的機艙，雨、霧、沙等雜質仍有很大的可能進入機艙內部，造成機組內部損壞，為保障安全運行，在絕緣材料方面也要求采用耐濕熱性較好的材料。

2.4 溫差幅度較大

西藏地區(qū)區(qū)間高山眾多、幅員遼闊，較大的經緯差及海拔差造就了西藏地區(qū)溫差浮動很大。以那曲地區(qū)為例，所在的藏北高原地區(qū)全年氣候干冷，晝夜溫差大，無絕對無霜期，為典型的亞寒帶氣候區(qū)。若在該地區(qū)開展風能開發(fā)利用，其顯著的晝夜溫差大極易引起發(fā)電機繞組表面冷凝解凍頻繁，對電廠安全運行和人員安全都有重大威脅，建議在發(fā)電機內部安裝電加熱器、干燥器等設備解決此類問題。

2.5 雷暴現(xiàn)象高發(fā)

根據中國氣象局對雷暴的劃分標準，日喀則市聶拉木、山南市錯那縣、昌都市八宿，林芝市大部、阿里地區(qū)南部等屬于少雷暴區(qū)；日喀則市西南部、昌都市大部、阿里地區(qū)大部等屬于中雷暴區(qū)；日喀則市東部、山南市大部、那曲地區(qū)西部等屬于多雷暴區(qū)；那曲地區(qū)中東部，拉薩市及日喀則市大部，貢嘎、乃東、江孜等縣屬于高雷暴區(qū)。

參考德國地區(qū)有關數(shù)據，該國風電場每百臺機組年雷擊率約10%，雷擊引發(fā)風電機組故障占總故障率的25%。對風電機組損害最大的是峰值較低的雷電流，在風電機組未來的運行中，雷電流的存在有可能引發(fā)事故。

由于藏區(qū)可利用風能區(qū)對應范圍基本為中、高雷暴區(qū)，所以對雷暴區(qū)對機組選擇的影響是值得研究討論的。針對藏區(qū)雷暴高發(fā)現(xiàn)況，研究風力發(fā)電機組采取如何的防雷措施是十分必要的，而且在廠址選擇過程中也應給予高度重視。

3 西藏地區(qū)風能資源開發(fā)方式的選擇

3.1 與太陽能等能源形式結合發(fā)電的可行性

通過上述分析，可以清楚地看到西藏地區(qū)風能可利用區(qū)與太陽能資源豐富、較豐富區(qū)域重疊率較高。在可預見的未來，同時開發(fā)西藏太陽能資源與風能資源是可以考慮的，而且這兩種能源在藏區(qū)也具有較好的互補性。采取風光互補發(fā)電的模式，不但克服了太陽能光伏發(fā)電造價高、受時段限制的缺點，而且補充了部分時段的風能不足，充分利用場地和資源，同時提高了發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 開發(fā)模式的選擇

西藏地區(qū)整體人口密度很低，區(qū)域內多為游牧地區(qū)，廣大農牧民散布于高山峽谷之中，彼此距離較遠，整體用電量相對不大。若開展大型長距離輸配電，其投資和損耗都很大，售電量小。針對游牧區(qū)實現(xiàn)并網發(fā)電還無必要，針對西藏特殊的地理環(huán)境，在開發(fā)西藏地區(qū)時應優(yōu)先考慮分布式風力發(fā)電技術的應用，以保障牧區(qū)居民用電需求。

隨著西藏地區(qū)經濟發(fā)展和電網結構的進一步優(yōu)化，風電作為“西電東送”接續(xù)基地的能源補充形式是可行的，但西藏無風能資源豐富區(qū)，開發(fā)大型風力發(fā)電機組，實現(xiàn)并網發(fā)電的可行性很小。現(xiàn)階段，應考慮在人口較集中的地區(qū)及電力外送通道附近開發(fā)建設風電場，以電力外送形式輸送電能，充分開發(fā)西藏地區(qū)的風能、太陽能、水能等清潔能源。

綜上所述，現(xiàn)階段在西藏地區(qū)推廣中小型風力發(fā)電較為可行（中型風力發(fā)電機型一般指額定功率100kW以下的機型，小型風力發(fā)電機型一般指額定功率10kW以下的機型），具有一定的發(fā)展前景，中長期階段可考慮風光能源互補形式的電能開發(fā)建設模式。

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