2.5　大中型風(fēng)電場設(shè)計

2.5.1　風(fēng)力資源評估所需的基本資料

風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電的源動力，風(fēng)況資料是風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計的第一要素。設(shè)計規(guī)程對風(fēng)況資料要求也很高，規(guī)定一般應(yīng)收集有關(guān)氣象站風(fēng)速風(fēng)向30年的系列資料，風(fēng)電場場址實測的風(fēng)速風(fēng)向資料應(yīng)至少連續(xù)1年。

為了滿足規(guī)范要求，風(fēng)力資源普查時，首先以風(fēng)能資源區(qū)劃為依據(jù)，配以1:10000～1:50000的地形圖。擬定若干個風(fēng)電場，收集有關(guān)氣象臺、站或港口、哨所30年以上實測的多年平均風(fēng)速、風(fēng)向和常規(guī)氣象實測資料。一般要求年平均風(fēng)速在6m/s以上，經(jīng)實地踏勘，綜合地形、地質(zhì)、交通、電網(wǎng)等其他因素，提出近期工程場址位置。在有代表性的候選風(fēng)電場位置上，安裝若干臺測風(fēng)儀，其數(shù)量應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場大小和地形復(fù)雜程度來定。對較復(fù)雜的地形，每3～5臺風(fēng)力機應(yīng)布置1根測風(fēng)桿，同一測風(fēng)桿在不同高度可安裝1～3臺測風(fēng)儀；對平坦的地形，可布置得稀一些。測風(fēng)儀安裝高度一般為10m、30m或40m，前者為氣象站測風(fēng)儀的標準高度，后者為風(fēng)力機輪轂的大致高度，以查明風(fēng)電場風(fēng)況的時空分布情況。實測1年以上，就具備了進行可行性研究所需的風(fēng)況資料。

風(fēng)況資料與其他氣象資料一樣，大小有隨機性。為避免風(fēng)能計算時出現(xiàn)大的偏差，風(fēng)電場實測資料應(yīng)與附近氣象臺站同期實測資料進行相關(guān)分析，以修正并完善風(fēng)電場的測風(fēng)資料，使短期資料有代表性。值得注意的是，由于風(fēng)的方向性，在進行風(fēng)速相關(guān)分析時，應(yīng)分不同方向進行風(fēng)速相關(guān)。相關(guān)方程一般可以下式表示

Y=C₁X+C₂X²　　（2-2）

或 　　 　　 （2-3）

2.5.2　風(fēng)力發(fā)電場址的選擇

風(fēng)力發(fā)電場場址的選擇必須從以下幾方面綜合考慮。

（1）年平均風(fēng)速較大　從經(jīng)濟角度考慮，即使在經(jīng)濟較發(fā)達，常規(guī)能源缺乏的東部沿海地區(qū)，建議擬建風(fēng)電場的年平均風(fēng)速應(yīng)大于6m/s（濱海地區(qū)）和5.8m/s（山區(qū)）。在這樣的風(fēng)況條件下，如選用單機容量500～600kW級風(fēng)力發(fā)電機，等效年利用小時數(shù)有2000～2600h，上網(wǎng)電價達到0.80～1.00元/（kW·h），項目就具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

各地實測風(fēng)速資料表明，在同一地區(qū)，高山山脊的風(fēng)速明顯大于平原和低丘陵地區(qū)。以臨海市括蒼山為例，臨海市氣象站海拔高度約為30m，年平均風(fēng)速僅2.3m/s，其西側(cè)30km的括蒼山氣象站，主峰海拔為1382m，由于山坡的加速效應(yīng)，年平均風(fēng)速高達6.3m/s。外海的風(fēng)速又大大高于內(nèi)陸和濱海地區(qū)。以浙江省玉環(huán)縣為例，該縣為半島，位于本島的坎門氣象站測的年平均風(fēng)速為5.4m/s，其東部3km的雞山島，年平均風(fēng)速為6.3m/s，再往東15km的披山島，年平均風(fēng)速高達8.7m/s。

（2）風(fēng)電場場地開闊，地質(zhì)條件好，四面臨風(fēng)　風(fēng)電場場地開闊，不僅便于大規(guī)模開發(fā)，還便于運輸、安裝和管理，減少配套工程投資，形成規(guī)模效益。地基基礎(chǔ)最好為巖石、密實的土壤或黏土，地下水位低，地震強度小。風(fēng)電場四面臨風(fēng)，無陡壁，山坡坡度最好小于30°，紊流度小。

（3）交通運輸方便　單機容量為500～600kW級的風(fēng)力機，最重運輸件為主機機艙，重約21t。主機裝入13m長的集裝箱后，需打開頂蓋；最長件為風(fēng)力機葉片，長約19～21m，運葉片的13m集裝箱也要打開后蓋板。故運輸風(fēng)力機的公路應(yīng)達到三、四級標準。海島上安裝風(fēng)力機則要有裝卸風(fēng)力機的碼頭，或適合于登陸艇登陸的港灣，島上還應(yīng)有建設(shè)四級公路的良好條件。

（4）并網(wǎng)條件良好　首先，要求風(fēng)電場離電網(wǎng)近，一般應(yīng)小于20km。因為離電網(wǎng)近，不但可降低并網(wǎng)投資，減少線損，而且易滿足壓降要求。

其次，由于風(fēng)力發(fā)電出力有較大的隨機性，電網(wǎng)應(yīng)有足夠的容量，以免因風(fēng)電場并網(wǎng)出力隨機變化，或停機解列對電網(wǎng)產(chǎn)生破壞作用。一般來說，風(fēng)電場總?cè)萘坎灰舜笥陔娋W(wǎng)總?cè)萘康?％，否則應(yīng)采取特殊措施，滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求。

（5）不利氣象和環(huán)境條件影響小　風(fēng)電場盡可能選在不利氣象和環(huán)境條件影響小的地方。如因自然條件限制，不得不選在氣象和環(huán)境條件不利的地點建風(fēng)電場時，要十分重視不利氣象和環(huán)境條件對風(fēng)電場正常運行可能產(chǎn)生的危害。

在海島上建風(fēng)電場，要特別重視臺風(fēng)侵襲。要求風(fēng)力機葉片、塔架、基礎(chǔ)均有足夠的強度和抗傾覆能力；鹽霧有強腐蝕性，要求風(fēng)力機和塔架等金屬結(jié)構(gòu)有可靠的防腐措施。

在高山上建風(fēng)電場，要特別重視高山嚴寒地區(qū)冰凍、雷暴、高濕度等不利氣象條件，對風(fēng)電場正常運行可能產(chǎn)生的影響。風(fēng)力機常規(guī)測風(fēng)儀中的風(fēng)杯如被凍結(jié)成冰球，導(dǎo)致測風(fēng)數(shù)據(jù)不準，將影響風(fēng)力機正常發(fā)電；如風(fēng)標被凍結(jié)則將影響風(fēng)力機主動偏航；葉片表面結(jié)冰，也會影響風(fēng)力機發(fā)電量；架空線因“霧凇”結(jié)冰，電線負重增加，可能導(dǎo)致電線斷裂，影響電力送出，應(yīng)加密桿距；高濕度對電器設(shè)備的絕緣不利，應(yīng)提出嚴格的要求；多雷地區(qū)要加強防雷接地措施等。

在空氣污染嚴重的地區(qū)，葉片表面結(jié)塵，影響風(fēng)力機出力；沙暴地區(qū)，風(fēng)沙磨損作用，使葉片表面出現(xiàn)凹凸不平的坑洞，也會影響風(fēng)力機出力。

這些不利的氣象和環(huán)境條件，在風(fēng)電場場址選擇時都應(yīng)給予重視，綜合考慮各種影響因素。

（6）土地征用和環(huán)境保護　建設(shè)風(fēng)電場的地區(qū)一般氣候條件較差，以荒山荒地為主。有些地方種植有防風(fēng)林、灌木或旱地作物等。風(fēng)電場單位千瓦的土地征用面積僅2～3m²/kW，與中小型火電站相當(dāng)，一般來說，土地征用較方便，但如果擬建的風(fēng)電場有軍事基地或國家重要設(shè)施，則應(yīng)盡量避開。

風(fēng)力發(fā)電是無污染的可再生新能源，國家支持大力開發(fā)，但有些環(huán)保問題還應(yīng)考慮，如風(fēng)力機的噪聲可能會對附近300m范圍內(nèi)的居民產(chǎn)生影響，選址時應(yīng)盡量避開居民區(qū)；如要新修山地公路，設(shè)計中應(yīng)注意挖填平衡，防止水土流失；風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)可能會對候鳥產(chǎn)生影響，選址時應(yīng)盡量避開候鳥遷移路線和棲息地等。

2.5.3　風(fēng)力發(fā)電機組選型和布置

（1）單機容量選擇　風(fēng)電場工程經(jīng)驗表明，對于平坦地形，在技術(shù)可行、價格合理的條件下，單機容量越大，越有利于充分利用土地，越經(jīng)濟。表2-2列舉了某風(fēng)電場單機容量經(jīng)濟性比較。

由表2-2可見，在相同裝機容量條件下，單機容量越大，機組安裝的輪轂高度越高，發(fā)電量越大，而分項投資和總投資均降低，效益越好。

并網(wǎng)運行的風(fēng)電場應(yīng)選用適合本風(fēng)電場風(fēng)況、運輸、吊裝等條件，商業(yè)運行1年以上，技術(shù)上成熟，單機容量和生產(chǎn)批量較大，質(zhì)優(yōu)價廉的風(fēng)力發(fā)電機組。

由于風(fēng)力發(fā)電機市場前景被一些發(fā)達國家一致看好，風(fēng)力機技術(shù)隨高科技進步發(fā)展很快。以風(fēng)力機生產(chǎn)大國丹麥的內(nèi)外銷情況為例，20世紀80年代初期，主要生產(chǎn)單機容量為50kW左右的風(fēng)力機；20世紀80年代中期，主要生產(chǎn)單機容量為100kW左右的風(fēng)力機；20世紀80年代末～90年代初，主要生產(chǎn)單機容量為150～450kW的風(fēng)力機。從1995年起，已大批量生產(chǎn)單機容量為500～600kW的風(fēng)力機。

近幾年來，世界各個風(fēng)力機主要生產(chǎn)廠商還相繼開發(fā)了單機容量為750～1500kW的風(fēng)力機，并陸續(xù)投入了試運行。

（2）機型選擇　在單機容量為300～600kW的風(fēng)力機中，具有代表性的為水平軸、上風(fēng)向、三葉片、計算機自動控制、達到無人值守水平的機型。

功率調(diào)節(jié)方式分為定槳距失速調(diào)節(jié)和變槳距調(diào)節(jié)兩類。兩種功率調(diào)節(jié)方式比較見表2-3。

定槳距風(fēng)力機有的機型采用可變極異步發(fā)電機（4/6極），其轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)速大小自動切換。因其切入風(fēng)速小，低風(fēng)速時效率也較高，故對平均風(fēng)速較小，風(fēng)頻曲線靠左的風(fēng)電場有較好的適用性。

變槳距風(fēng)力機能主動以全順槳方式來減少轉(zhuǎn)輪所承受的風(fēng)壓力，具有結(jié)構(gòu)輕巧和良好的高風(fēng)速性能等優(yōu)點，是兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展的方向。

2.5.4　風(fēng)力發(fā)電機布置和風(fēng)能計算

（1）風(fēng)力發(fā)電機布置　風(fēng)力發(fā)電機布置要綜合考慮地形、地質(zhì)、運輸、安裝和聯(lián)網(wǎng)等條件。

①應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能密度玫瑰圖顯示的盛行風(fēng)向、年平均風(fēng)速等條件確定主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)力機排列應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向垂直。對平坦、開闊的場地，風(fēng)力機可布置成單列型、雙列型和多列型。多列布置時應(yīng)呈“梅花型”，以盡量減少風(fēng)力機之間尾流的影響。

②多種布置方案計算表明，當(dāng)風(fēng)電場平均風(fēng)速為6.0～7.0m/s時，單列型風(fēng)力機的列距約為3D（D為風(fēng)輪直徑）；雙列型布置的行距約為6D，列距約為4.5D；多列型布置的行列距約為7D。風(fēng)電場平均風(fēng)速越大，布置風(fēng)力機的間距可以越小。

③在復(fù)雜地形條件下，風(fēng)力機定位要特別慎重，設(shè)計難度也大。一般應(yīng)選擇在四面臨風(fēng)的山脊上，也可布置在迎風(fēng)坡上，同時必須注意復(fù)雜地形條件下可能存在的紊流情況。

④風(fēng)經(jīng)風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪后，將部分動能轉(zhuǎn)化為機械能，排氣尾流區(qū)的風(fēng)速減小約1/3，尾流流態(tài)也受擾動，尤以葉尖部位擾動最大。故前后排風(fēng)力發(fā)電機之間應(yīng)有5D以上的間隔，由周圍自由空氣來補充被前排風(fēng)力機所吸收的動能，并恢復(fù)均勻的流場。也就是說，前排風(fēng)力機是后排風(fēng)力機的障礙物，應(yīng)用WAsP軟件或其他方法可計算風(fēng)力機間尾流的相互影響，優(yōu)化布置方案。

⑤風(fēng)力機最優(yōu)布置方案需經(jīng)多方案經(jīng)濟比較確定。

（2）風(fēng)能計算　目前，風(fēng)能計算方法以風(fēng)頻曲線法計算精度較高，應(yīng)用廣泛。該方法將實測或其他方法得到的每天24h、共1～5年的風(fēng)速資料按其風(fēng)速大小進行分段統(tǒng)計，可求出風(fēng)頻曲線。

研究表明，風(fēng)速分布一般符合瑞利（Rayleigh）分布或威布爾（Weibull）分布規(guī)律，尤以雙參數(shù)的威布爾分布應(yīng)用最廣，其表達式為

P（X）=（K/C）（X/C）^K-1exp［-（X/C）^K］　　（2-4）

式中，K為形狀參數(shù)，K>0；C為尺度參數(shù)，C>0。

如用最小二乘法將風(fēng)頻曲線擬合成雙參數(shù)的威布爾曲線，求出參數(shù)K、C值，可很方便地表達風(fēng)速分布規(guī)律，并據(jù)此進行理論分析計算。

在初選風(fēng)力機機型后，依據(jù)其功率曲線和輪轂高度處的風(fēng)頻曲線，可求出該臺機的年發(fā)電量。

風(fēng)速是地理位置的三維函數(shù)，為簡化計算，以風(fēng)力機輪轂中心的風(fēng)速來代表整個掃風(fēng)面積上的平均風(fēng)速。但是要將測風(fēng)點的風(fēng)況精確地轉(zhuǎn)換成每臺風(fēng)力機輪轂中心的風(fēng)況，仍是十分困難的，尤其是在復(fù)雜的地形條件下。目前設(shè)計中普遍采用丹麥國家實驗室（RISФ）開發(fā)的風(fēng)資源分析及應(yīng)用程序（Wind Atlas Analysis and Application Program），簡稱WAsP。其基本步驟為：

①分12個扇區(qū)，把具有時間連續(xù)性測量的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成風(fēng)速直方圖；

②輸入風(fēng)電場地形圖，輸入測風(fēng)點的位置、高度、周圍地表粗糙度和附近障礙物；

③將各扇區(qū)的每級風(fēng)速從附近障礙物、粗糙度不均勻和地形影響中還原，求出這個扇區(qū)地表固有的風(fēng)況數(shù)據(jù)；

④根據(jù)測風(fēng)儀所在地的風(fēng)況，按上述步驟逆向運算，求出指定風(fēng)力機位置輪轂中心的風(fēng)頻曲線，結(jié)合預(yù)選風(fēng)力機的功率曲線，可求出該臺機的年發(fā)電量；

⑤把全場預(yù)定風(fēng)力機的位置、統(tǒng)一的輪轂高度和功率曲線都一起輸入程序，用PARK模塊進行逐臺風(fēng)力機和全場發(fā)電量估算。

計算時將每一臺風(fēng)力機作為其他風(fēng)力機的障礙物，求出每臺機各個扇區(qū)的年發(fā)電量和影響系數(shù)，從中可分析各個方向相鄰的風(fēng)力機對本機的影響程度，據(jù)此調(diào)整風(fēng)力機布置方案，經(jīng)反復(fù)迭代，得到較理想的布置方案。

必須指出，任何軟件都是以特定的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。實踐證明，在復(fù)雜地形條件下，由于許多邊界條件限制，WAsP程序計算的成果只能作參考。為了慎重，風(fēng)電場建設(shè)前，需盡可能多地在預(yù)選風(fēng)力機位置安裝測風(fēng)儀，實測風(fēng)況數(shù)據(jù)，作為選址的主要依據(jù)。

2.5.5　風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)

（1）基礎(chǔ)荷載　在陸地上建造風(fēng)電場，風(fēng)力機的基礎(chǔ)一般為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。其型式主要取決于風(fēng)電場工程地質(zhì)條件、風(fēng)力機機型和安裝高度、設(shè)計安全風(fēng)速等。表2-4列出了幾種風(fēng)力機的基礎(chǔ)荷載。

（2）地質(zhì)勘探　基礎(chǔ)設(shè)計前，必須做整個風(fēng)電場工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件詳細踏勘，對風(fēng)力機基礎(chǔ)進行重點的地質(zhì)勘探工作。

①在巖石地基上，應(yīng)查明基礎(chǔ)覆蓋層厚度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石單軸抗壓強度及其允許承載能力。

②在砂壤土或黏土地基上，應(yīng)查明土層厚度、土壤的級配、干容重、砂壤土的內(nèi)摩擦角、黏土的黏結(jié)力、地下水埋藏深度，允許承載能力等。

③在海相沉積的海涂、湖泊、沙灘等地下水位高、結(jié)構(gòu)松散的軟土地基上建設(shè)風(fēng)電場，由于軟土具有強度低、壓縮性大等不利的工程特性，故對這種地基土質(zhì)進行詳細的地質(zhì)勘探工作尤為重要。一般應(yīng)查明土層埋深、含水量、容重、空隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、黏結(jié)力、摩擦角等。

應(yīng)選擇適宜的基礎(chǔ)形式，作細致的地基計算，并在建筑物施工時采取相應(yīng)的工程措施。

（3）結(jié)構(gòu)形式　根據(jù)基礎(chǔ)不同的地質(zhì)條件，從結(jié)構(gòu)形式上常可分為實體重力式基礎(chǔ)和框架式基礎(chǔ)。

①實體重力式基礎(chǔ)主要適用于地質(zhì)條件良好的巖石、結(jié)構(gòu)密實的砂壤土和黏土地基。因其基礎(chǔ)淺、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、質(zhì)量易控制、造價低，應(yīng)用最廣泛。從平面上看，實體重力式基礎(chǔ)可進一步分為四邊形、六邊形和圓錐形。后面兩種抗震性能好，但施工難度稍大于前者，主要適用于有抗震要求的地區(qū)。

②框架式基礎(chǔ)由樁臺和樁基群組成，主要適用于工程地質(zhì)條件差、軟土覆蓋層很深的地基上。框架式基礎(chǔ)按樁基在土中傳力作用分為端承樁和摩擦樁。端承樁主要靠樁尖處硬土層支承，樁側(cè)摩擦阻力很小，可以忽略不計；摩擦樁的樁端未達硬土層，樁的荷載主要靠樁身與土的摩擦力來支承。實際的樁基是既有摩擦力又有樁端支承力共同作用的半支承樁。框架式基礎(chǔ)比實體重力式基礎(chǔ)施工難度大、造價高、工期長，在同等風(fēng)況條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇地質(zhì)條件良好的風(fēng)電場。

2.5.6　風(fēng)力發(fā)電場的經(jīng)濟效益和社會效益評價

（1）工程投資和經(jīng)濟效益　大中型風(fēng)電場工程投資中，風(fēng)力機設(shè)備約占總投資的70％。隨著風(fēng)力機制造技術(shù)的不斷進步，單機容量不斷增大，每度電的成本在逐年下降。近幾年來，風(fēng)力機市場被國際大公司、大財團一致看好，競爭十分激烈，風(fēng)力機價格以每年約3％～5％的速度降價。華東勘測設(shè)計院設(shè)計的幾個風(fēng)電場，在不考慮風(fēng)力機進口關(guān)稅前，單位度電靜態(tài)投資約4.0元/（kW·h），單位千瓦靜態(tài)投資約10000～11000元，度電成本電價約0.42元/（kW·h），還貸期上網(wǎng)電價約0.80元/（kW·h），可以與水電、核電和考慮脫硫設(shè)備的火電站競爭。

如風(fēng)力機進口稅為6％，增值稅為8.5％，則總投資和度電成本相應(yīng)增加約10％。因此，風(fēng)力機進口關(guān)稅是風(fēng)電場上網(wǎng)電價高低的杠桿之一。

國家經(jīng)貿(mào)委和電力部均在大力推進風(fēng)力機國產(chǎn)化，國產(chǎn)化后風(fēng)力機的價格可下降約20％，既可降低風(fēng)電成本，又能促進我國機電工業(yè)的發(fā)展。

（2）財務(wù)評價　風(fēng)電場財務(wù)評價尚無規(guī)范，目前參照水電項目進行計算。由于風(fēng)力機主要部件，如葉片、輪轂、變速箱、發(fā)電機、塔架等使用壽命均按20年設(shè)計，故財務(wù)評價中計算期一般也取20年。采用進口風(fēng)力機時，大修理費率建議取1％。

為降低還貸期上網(wǎng)電價，應(yīng)加速折舊，綜合折舊率可取7.5％～10％。

（3）環(huán)境與社會效益　風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，無論同火電、核電還是同水電相比，其環(huán)境效益和社會效益均十分顯著。

①節(jié)煤效益和環(huán)境效益　按火力發(fā)電標煤耗350g/（kW·h）計算，風(fēng)電場每年如發(fā)電1×10⁸kW·h，則每年可為國家節(jié)省標煤3.5×10⁴t。相應(yīng)減少廢氣排放量為：SO₂為672t，NO_x為382t，CO為9.7t，C_nH_n為3.9t，減少溫室效應(yīng)氣體CO₂為8022t，減少灰渣為10500t。可見風(fēng)電場建設(shè)有十分顯著的環(huán)境效益。

②社會效益　大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電可緩解地區(qū)電力供需矛盾，改善當(dāng)?shù)鼐用裼秒姞顩r和生產(chǎn)生活條件，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源，從實驗室走向偏遠的山區(qū)、海島等未與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)，再踏上并網(wǎng)運行的征途，迅猛發(fā)展，不是偶然的。它伴隨著現(xiàn)代科技進步、石油危機、環(huán)境污染等機遇和挑戰(zhàn)，有很強的生命力。

風(fēng)電場設(shè)計工作的好壞，直接影響到風(fēng)電場的效益、安全和穩(wěn)定運行。總結(jié)前階段設(shè)計工作經(jīng)驗，使風(fēng)電場設(shè)計更先進、更合理，是當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵之一。