淺析低風速風電場的開發(fā)——以羅圈巖風電場為例

2016年發(fā)布的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，應加快開發(fā)中東部和南方地區(qū)陸上風資源，提升中東部和南方地區(qū)風電開發(fā)利用水平。因中東部和南方地區(qū)以低風速為主，故推動低風速風電技術進步，因地制宜推進低風速風電場開發(fā)建設尤為必要[1]。

本文以四川省廣元市羅圈巖風電場為例，介紹了低風速風電場的風能資源特點，即年平均風速較低且產(chǎn)生的年利用小時數(shù)較低；分析了低風速風電場的開發(fā)難點，如風速較低、風電補貼下降、風速和風向波動大、地理條件復雜和氣象惡劣等；提出了低風速風電場的開發(fā)策略：應合理確定風電場規(guī)模、優(yōu)化風機選型、合理選擇輪轂高度和精細化微觀選址，從而提高了風電場的經(jīng)濟效益，為低風速風電場的開發(fā)建設提供了寶貴的經(jīng)驗。

低風速風電場的風能資源特點

羅圈巖風電場位于四川省廣元市朝天區(qū)境內(nèi)。該風電場距離廣元市區(qū)約40km，場址中心地理坐標約為東經(jīng)106°0’28.80”、北緯32°39’11.58”。整個風電場場址內(nèi)由兩條近西南-東北走向的平行山脊組成，海拔高度介于1210m-1600m，場址總面積約26km2。

羅圈巖風電場場址內(nèi)立有4座測風塔，編號分別為1605#、9990#、5093#和5350#，4座測風塔均勻分布于場區(qū)且代表性強。4座測風塔代表年內(nèi)風速分別為5.09m/s、5.4m/s、5.67m/s和5.69m/s，主導風向為NNE～NE。采用Meteodyn_WT5.3.2軟件對羅圈巖風電場進行電量計算后，風電機組輪轂中心高度的年平均風速為5.53m/s，年利用小時數(shù)為1897h，場區(qū)內(nèi)代表測風塔在3m/s～7m/s風速段的頻率較高。

行業(yè)普遍認為低風速風電場是指風電機組輪轂中心高度的年平均風速在5.3m/s～6.5m/s之間，年利用小時數(shù)在2000h以下的風電場，其一年內(nèi)風速介于3m/s～7m/s的頻率較高。由此可見，羅圈巖風電場屬于典型的低風速風電場，該風電場的優(yōu)化設計能為低風速風電場的開發(fā)提供寶貴的經(jīng)驗。

低風速風電場開發(fā)難點

風資源相對較差且風電補貼不斷減少

一方面，羅圈巖風電場位于我國西南地區(qū)，屬于IV類資源區(qū)，場區(qū)內(nèi)4座代表測風塔輪轂高度85m處平均風速介于4.89m/s～5.69m/s之間，風資源相對較差[2]。另一方面，我國風電補貼將分類型、分領域、分區(qū)域逐步下降，根據(jù)國務院印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，實現(xiàn)風電與煤電上網(wǎng)電價基本相當。項目場區(qū)風資源相對較差，且隨著風電補貼不斷地減少，將影響項目整體收益水平。

風速及風向的波動大

羅圈巖風電場場址內(nèi)地形、地貌、氣象條件較復雜，風速風向受氣候影響明顯，受地形影響較大。例如，在地形陡峭的區(qū)域，風在爬坡過程中，下層的氣流受到明顯的擠壓，根據(jù)通量守恒，下層氣流加速效應大于上層氣流，若加速后的低層風速比更高層的風速大，則易出現(xiàn)負切變；項目場區(qū)不同地形接受輻射不同、增熱和冷卻不同，會形成方向迥異的坡風和山谷風，導致風向變化較大。風電機組葉片處于大氣流動中，由于湍流、風切變、陣風等因素，風速及風向的變化影響前期風資源評估準確性，從而增加項目評估難度[3]。

地理條件復雜

羅圈巖風電場場址區(qū)位于侵蝕溶蝕中山頂部，山頂高程一般在1400m～1700m，溝谷高程900 m ～1000 m，高差約500m～800m。山體兩側(cè)斜坡坡度一般為20o～50o，局部坡度大于50o。風機所布位置為山脊部位，地形起伏較大，山高陡峭，淺表部主要為坡殘積覆蓋層。場址內(nèi)民居、交通、線路、地質(zhì)和環(huán)保等信息相對更復雜。風機安裝平臺和場內(nèi)道路設計較復雜，施工整體條件差、代價高，土建工程投資在總投資中的比重較高[4]。

氣象條件惡劣

羅圈巖風電場氣象條件復雜，由場址附近的廣元氣象站的歷年統(tǒng)計資料可知，歷年極端最高氣溫37.9℃，歷年極端最低氣溫-8.2℃，歷年最大日降水量185.9mm，歷年平均降水量941mm；歷年平均冰雹日數(shù)0.4d，歷年平均年雷暴日數(shù)29.1d。各種極端的氣象和天氣條件要求風機適應性強，具備更高的可靠性。

低風速風電場開發(fā)的策略

合理確定風場規(guī)模

在對外交通和場內(nèi)運輸條件一定的情況下，采用大容量機組可以有效地減少機位點數(shù)量，擴大整個風電場的裝機容量，實現(xiàn)風電場資源最大開發(fā)，提高整個風電場的經(jīng)濟效益[5]。羅圈巖風電場工程場區(qū)面積有限，經(jīng)反復比選后，擬采用機型混裝方案，對風速模擬結(jié)果中資源最好的20臺風機位采用2.5MW機組，其余27臺機位則采用2.0MW機組。該機型混裝方案能使投資回報率最大化，整體上可提高風電場的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)風資源最優(yōu)開發(fā)。

故羅圈巖風電場擬安裝27臺單機容量為2MW的風電機組和20臺單機容量為2.5MW的風電機組，風電場建設規(guī)模為104MW。

優(yōu)化低風速風機選型

對于低風速風電場風資源的開發(fā)，在風機選型時需考慮風能轉(zhuǎn)換效率進行合理選型，本處可采用加長葉片的低風速風機增加發(fā)電效率[6]。

羅圈巖風電場擬采用27臺單機容量為2MW的風力發(fā)電機組，該機型超長型葉片直徑有116m和127m兩種，隨著風電機組葉片直徑的加長，風電機組的發(fā)電量將隨之增大。當葉片直徑從116m提高到127m時，風電場年上網(wǎng)電量增加281萬kW h，風電場年等效滿負荷利用小時數(shù)增加37h，故加長葉片的低風速風機可顯著增加發(fā)電效率。

合理選擇塔筒輪轂高度

一般而言，輪轂高度的升高會帶來發(fā)電量的提升，但是選擇更高的輪轂高度隨之而來的是更重的塔筒、更大的基礎，以及運輸、吊裝等費用的增加。輪轂高度的選擇與風切變息息相關，當風切變較小時，發(fā)電量收益小于輪轂增高的投入，需選擇低輪轂方案。反之，當風切變較大時，需選擇高輪轂方案。

考慮到羅圈巖風電場初步選定機型的技術質(zhì)量，按其機艙重量和轉(zhuǎn)輪直徑要求，配套的標準塔架輪轂高度為85m和90m。隨著風電機組輪轂高度的抬高，風電機組的發(fā)電量將隨之增大，塔筒的重量也隨之增加，與此同時，由于風力機受力條件的改變，將對基礎設計提出更高的要求，增大了設備投資、風機基礎和安裝費用。

羅圈巖風電場項目所在地屬于IV類資源區(qū)，且項目于2017年核準項目，風電標桿上網(wǎng)電價為0.60元/kW·h（含增值稅）。當輪轂高度從85m提高到90m時，風電場年上網(wǎng)電量增加159萬kWh，風電場按運行年限20年考慮，考慮折現(xiàn)率，風電場收益折現(xiàn)值為984萬元。增加的投資為塔筒投資、基礎環(huán)投資和安裝費用共1100萬元。故當塔筒高度為90m時，發(fā)電量增加的效益小于風電場增加的投資，說明85m輪轂高度方案的經(jīng)濟型較好。

精細化微觀選址

微觀選址和機組排列布置的精度，在宏觀上決定了低風速風電的利用效率。低風速風電場在機組布置時，應優(yōu)化場內(nèi)新建道路和平臺的設計，以降低土建工程投資在總投資中的比重；應優(yōu)化集電線路布置，以減小場內(nèi)電能傳輸損耗；在考慮尾流影響時，不拘泥于目前國內(nèi)風場布置標準，因地制宜，以效益為導向綜合考慮。

對于羅圈巖風電場，在滿足全場發(fā)電量最大、單機尾流損失控制在一定范圍內(nèi)的條件下，以風能資源分布為主，兼顧施工安裝場地、道路交通等因素，選擇合適的點位布置風力發(fā)電機組。

結(jié)語

基于我國低風速區(qū)域市場空間將逐步加大的趨勢，本文重點對低風速風電場的開發(fā)難點和開發(fā)思路及措施展開了分析和探討，提出了低風速風電場的開發(fā)策略，包括合理確定風電場規(guī)模、優(yōu)化低風速風機選型、合理選擇輪轂高度和精細化微觀選址，以期為未來的低風速風電場開發(fā)建設提供參考與借鑒。