風(fēng)力發(fā)電機組光影閃變分析

何 一，孫 慶

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 風(fēng)電發(fā)展概況

我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，截至2016年底，全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量達到14 864萬kW，風(fēng)電年發(fā)電量2 410億kW·h，同比增長29%，約占全國總用電量的4%。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國的風(fēng)電裝機容量預(yù)計將達到2.1億kW，年發(fā)電量達到4 200億kW·h。目前已建成的風(fēng)力發(fā)電機組近10萬臺，在全國范圍內(nèi)廣泛分布，作為一種工業(yè)設(shè)備，在噪音、光影等方面不可避免地對附近居民正常的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響。

2 光影閃變影響

目前常用機型額定風(fēng)速下轉(zhuǎn)速為10～16 r/min。風(fēng)電機組槳葉在風(fēng)力的推動下旋轉(zhuǎn)，在有陽光的時候，因葉片轉(zhuǎn)動而形成葉片在地面上投影有規(guī)律的隱現(xiàn)，被稱為光影閃變。光影閃變區(qū)示意見圖1。光影閃變會對動物和人的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生影響，屬于光污染的一種。人長期、持續(xù)處于光影閃變之中，會因視覺疲勞影響中樞神經(jīng)的正常功能，出現(xiàn)眩暈、煩悶、惡心等癥狀。

由于風(fēng)機技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機組未來的發(fā)展趨勢是更高輪轂、更長葉片、更大容量。輪轂和葉片的長度增加帶來投影面積的增加，光影閃變影響的范圍將進一步擴大。目前光影閃變影響的最大距離已經(jīng)超過了噪音影響的標(biāo)準(zhǔn)范圍，由于國家還未出臺相關(guān)的強制規(guī)定，在風(fēng)機選址時未作為主要因素進行考慮，在部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了風(fēng)機光影閃變投射到居民院落內(nèi)、房屋窗戶上的情況，對居民的生活健康帶來一定的影響。

目前，正在制定的相關(guān)規(guī)程規(guī)范已經(jīng)考慮光影閃變的相關(guān)影響。光影閃變的敏感區(qū)域初步劃定為每年不超過30 h。

圖1 光影閃變區(qū)示意

3 光影閃變時長理論計算方法

受太陽位置的影響，我國北回歸線以北的區(qū)域風(fēng)機光影閃變出現(xiàn)在風(fēng)機位置以北，北回歸線以南區(qū)域風(fēng)機光影閃變集中在風(fēng)機周邊及偏北區(qū)域。光影影響范圍的大小取決于太陽高度角，太陽特征角度示意如圖2所示。其計算公式如下：

h=arcsin(sinΦsinδ+cosΦcosδcosω)

(1)

式中Φ——地理緯度；

δ——太陽赤緯角；

ω——太陽時角。

赤緯角δ計算公式如下：

δ=23.45sin[360×(284+n)/365]

(2)

式中n——計算日在一年中的天數(shù)序列。如：2月10日為一年的第41天，則n=41。

圖2 太陽特征角度示意

太陽時角ω計算公式如下：

ω=15 ×(12-e)

(3)

式中e——計算時刻。如：計算9點的太陽時角，則e=9。

計算得某一時刻的太陽高度角后，可計算此時的葉片的陰影長度L。

L=D/tan(h)

(4)

式中D——葉片翼尖距地面的高度。

某一時刻太陽所處方位角γ計算公式如下：

γ=arccos[(sinΦsinh-sinδ)/cosΦcosh]

(5)

根據(jù)方位角計算結(jié)果，北半球在每年的春分前和秋分后，早上太陽從東南方向升起，中午運行至最北處，傍晚從西南方向落下，越接近冬至日早晚偏南越甚；春分和秋分之間，早上太陽從東北方向升起，中午運行至最南處(北回歸線以北區(qū)域正午太陽位置都位于風(fēng)機以南，北回歸線以南區(qū)域部分時間可位于風(fēng)機以北)，傍晚從西北方向落下，越接近夏至日早晚偏北越甚；僅春分日和秋分日太陽從正東、正西方向升起和落下。南半球情況與北半球剛好相反。

4 光影閃變理論時長范圍分析

機組所在地的緯度、輪轂高度、葉輪半徑、葉輪方向等，都會影響葉片的投影范圍。當(dāng)葉輪方向(即風(fēng)向)為南北向時，綜合計算一年的投影面積最大。下面以主風(fēng)向為南北向，緯度30°，輪轂高度80 m，葉輪半徑60 m的機型為典型，以間隔10 m為單位網(wǎng)格分析各類因素變化對光影閃變理論時長的影響。

統(tǒng)計計算方法：通過計算某一時刻葉片翼尖旋轉(zhuǎn)一周在各個位置時的投影長度和方位，模擬出該時刻地面上葉片光影閃變的范圍。通過編制軟件對一年每10 min時間序列的投影范圍進行計算，統(tǒng)計出風(fēng)機附近各網(wǎng)格點處于投影范圍內(nèi)的時間長度，即該點一年內(nèi)理論上發(fā)生光影閃變的時長。通過對同一時長點的連線，即可獲得該光影閃變時長涉及的區(qū)域范圍。

4.1 緯度對光影閃變時間的影響

對北半球緯度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°處單個風(fēng)機的光影閃變范圍進行計算，年光影閃變時間超過30 h的范圍見圖3。影響區(qū)形狀為蝶型，影響面積為0.2～0.55 km2，影響面積見圖3。隨著緯度的增加，30 h光影閃變范圍增加，且增加幅度越來越大。最長光影閃變時間的位置一般出現(xiàn)在風(fēng)機位置正北處，緯度0°時出現(xiàn)在正北和正南各10 m處，時長約775 h；隨緯度升高，距風(fēng)機距離和時長均增加，當(dāng)緯度40°時出現(xiàn)在正北40 m處，時長約1 253 h；緯度進一步升高后，距風(fēng)機距離繼續(xù)增加而時長減少，當(dāng)緯度60°時出現(xiàn)在正北80 m處，時長約916 h。隨緯度的升高，東北東和西北西方向的30 h光影閃變范圍增加緩慢，而偏北方向的30 h光影閃變范圍增加很快，光影閃變最遠方向也隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。不同緯度處30 h光影閃變影響參數(shù)見表1。

圖3 不同緯度處30 h光影閃變范圍(單位：m)

表1 不同緯度處30 h光影閃變影響參數(shù)

4.2 不同機型對光影閃變時間的影響

對不同輪轂高度、葉片長度機型的光影閃變情況進行比較，各機型光影閃變影響面積見圖4。輪轂高度的增加在南北方向的光影距離增加影響較大，而葉片長度的增加對東西方向的影響較大。不同機型30 h光影閃變影響參數(shù)見表2。

圖4 不同機型30 h光影閃變范圍(單位：m)

表2 不同機型30 h光影閃變影響參數(shù)

4.3 光影閃變時長影響范圍

對典型機型進行計算，其光影閃變時間在30 h、60 h、90 h、120 h時的范圍如圖5所示。30 h時的影響范圍約為0.271 km2，投影最遠距離出現(xiàn)在東北東(ENE)和西北西(WNW)方向，最遠距離約496 m，其次為東北(EN)和西北(NW)方向，最遠距離約474 m。最長光影閃變時間的位置出現(xiàn)在風(fēng)機位置正北30 m處，約1 123 h。隨著閃變時長的增加，影響面積逐漸減小，減幅遞減。從投影范圍分析可知，北半球冬春季節(jié)早晚時段的投影對陰影閃變面積影響最大。不同光影閃變時長影響參數(shù)見表3。

圖5 不同光影閃變時長范圍(單位：m)

表3 不同光影閃變時長影響參數(shù)

5 對光影閃變時長的其他影響因素

以上就特定狀態(tài)下風(fēng)電機組的光影閃變理論時長及影響范圍進行了分析，在實際工程中，還有多種因素會影響光影閃變的時長，主要有以下方面：

(1)天氣因素。出現(xiàn)多云、陰雨天的情況時，不存在地面投影，會減少光影閃變的時長。

(2)風(fēng)向因素。在主風(fēng)向非南北向時，會減少某些方向上的光影閃變時長及總的影響范圍。

(3)風(fēng)力因素。在風(fēng)力小于啟動風(fēng)速時，或機組故障停機時，風(fēng)機槳葉不會轉(zhuǎn)動或極緩慢轉(zhuǎn)動，此時有陰影但不形成閃變。我國大多數(shù)地區(qū)上半天的風(fēng)速較小或無風(fēng)，風(fēng)電機組西北方向的光影閃變將比理論值偏小。

(4)地形因素。周邊地形起伏形成與風(fēng)機位置的海拔高差，會帶來投影距離增減。

6 結(jié) 語

光影閃變是光污染的一種，對人體健康會造成一定的損害。通過對光影閃變時長和范圍的計算，掌握光影閃變的嚴重影響區(qū)，可有效規(guī)避場區(qū)附近的建筑物，使風(fēng)力發(fā)電充分發(fā)揮其環(huán)保、綠色、可再生的優(yōu)勢，更好地與人民群眾的生活有益結(jié)合，促進可再生能源的和諧發(fā)展。