汪攀 雷澤森 何金波

フ?要：風(fēng)能作為清潔可再生能源，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展政策對(duì)能源的戰(zhàn)略需求，但是囿于起步較晚、風(fēng)能資源分布不均衡，我國(guó)對(duì)風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)并不充分。為響應(yīng)國(guó)家發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，本研究著眼于風(fēng)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)實(shí)地調(diào)研法、文獻(xiàn)查閱法等研究方法，對(duì)欽州市犀牛角河塘村果園進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析了果園地理位置、整體環(huán)境與用電量，考察并確定了3處安裝點(diǎn)。以測(cè)試的果園風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較為完善的果園風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)。在幫助果園實(shí)現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的同時(shí)，也為欽州市風(fēng)力資源的開(kāi)發(fā)與利用提供參考，推動(dòng)風(fēng)電與現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，改善當(dāng)?shù)啬酥粮蠓秶哪茉蠢媒Y(jié)構(gòu)。

ス丶詞：清潔能源；風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電

1?選題背景

1.1?中國(guó)風(fēng)能資源現(xiàn)狀

1.1.1?風(fēng)能資源豐富、利用空間大

ゾ萃臣莆夜的風(fēng)能總量處于世界第三。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站以陸地上離地10m高度進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100w/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億千瓦，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地風(fēng)能儲(chǔ)量2.53億千瓦，近海可開(kāi)發(fā)和可利用的風(fēng)能儲(chǔ)量7.5億千瓦，共計(jì)約10億千瓦［1］。

1.1.2?風(fēng)能資源分布不均衡

ノ夜東部沿海受海風(fēng)影響，風(fēng)能資源最豐富；北部?jī)?nèi)蒙古地區(qū)地勢(shì)平坦，常年受西北風(fēng)影響，風(fēng)能資源也為豐富；西北地區(qū)，受冬季風(fēng)的影響，風(fēng)能密度達(dá)200－300w/m2。東北三省到新疆一帶是北部地區(qū)風(fēng)能豐富區(qū)，風(fēng)能資源為內(nèi)陸最優(yōu)；黑龍江和吉林東部以及遼東半島，風(fēng)能較大。四川盆地、塔里木盆地、雅魯藏布江河谷等地，受高山影響，冷空氣難以進(jìn)入，風(fēng)資源貧乏，只能季節(jié)性利用風(fēng)能。不同地貌、不同高度，對(duì)風(fēng)能的影響都是不同的。根據(jù)資料顯示，我國(guó)垂直地面50米高度平均風(fēng)能資源大體可以劃分為貧乏區(qū)、一般區(qū)、較豐富區(qū)和豐富區(qū)。［2］

1.2?中國(guó)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

シ緄縉鴆澆賢懟⒎⒄寡桿?。我褂谏鲜兰o(jì)末開(kāi)始研究風(fēng)電，到2017年，全國(guó)風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)容量1966萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)1.88億千瓦，每年新增裝機(jī)容量都在不停上升，只是近幾年增速放緩。風(fēng)電已逐步成為我國(guó)主流發(fā)電方式，2017年，中國(guó)六大區(qū)域的風(fēng)電新增裝機(jī)容量如下圖所示。三北地區(qū)新增裝機(jī)容量達(dá)45%，華東、中西南地區(qū)新增裝機(jī)容量達(dá)55%。全國(guó)不同程度利用風(fēng)資源，風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)上升，符合國(guó)家能源局《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。

圖1?2017年中國(guó)六大區(qū)域風(fēng)電新增裝機(jī)容量占比

2?研究目的及意義

ス鬮髂茉炊倘保一次能源匱乏，限制地域發(fā)展。為解決能源匱乏問(wèn)題，國(guó)家給予多方面政策支持，廣西應(yīng)積極開(kāi)發(fā)無(wú)污染的清潔能源。

シ縋蓯強(qiáng)煽?、无污如R那褰嗄茉矗有效減輕環(huán)境壓力，保護(hù)環(huán)境。針對(duì)我國(guó)一次能源匱乏以及可在生能源開(kāi)發(fā)率較低的問(wèn)題，本研究根據(jù)能源資源學(xué)、可持續(xù)發(fā)展、地理資源學(xué)等為基礎(chǔ)，以及在《氣象部門(mén)參與全國(guó)大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期工作方案》、《關(guān)于組織開(kāi)展風(fēng)能資源普查評(píng)價(jià)工作的通知》的政治背景下，把欽州犀牛角果園定為研究區(qū)，根據(jù)風(fēng)速計(jì)以及氣象局的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)具有良好的風(fēng)電資源，在此研究區(qū)利用風(fēng)力發(fā)電可減輕部分能源匱乏問(wèn)題。

3?研究方法

ナ檔氐餮蟹ǎ憾怨園進(jìn)行實(shí)地考察，了解果園風(fēng)力資源狀況。

ノ南撞樵姆ǎ旱餮惺據(jù)、查閱數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用歸納總結(jié)、統(tǒng)計(jì)分析等不同方法對(duì)果園風(fēng)電安裝進(jìn)行探索研究［3］。

ニ婊取樣法：在果園進(jìn)行隨機(jī)性的采樣，通過(guò)測(cè)定風(fēng)速采用隨機(jī)性來(lái)間接性的降低因?yàn)樘鞖庾兓炔豢杀苊庖蛩貛?lái)的偶然誤差。

ネ臣剖據(jù)法：通過(guò)取多組數(shù)據(jù)，來(lái)尋找風(fēng)速的變化規(guī)律，以此達(dá)到最大程度的增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性和權(quán)威性。

ソ立數(shù)學(xué)模型：對(duì)數(shù)據(jù)擬合，運(yùn)用office等軟件，建立柱狀圖、折線圖、扇形圖，直觀的了解數(shù)據(jù)。

4?研究?jī)?nèi)容

4.1?廣西風(fēng)能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

ァ笆二五”期間廣西風(fēng)資源正式開(kāi)發(fā)，金紫山風(fēng)電場(chǎng)是廣西最大風(fēng)電場(chǎng)，2011年正式并網(wǎng)發(fā)電，年并網(wǎng)發(fā)電量約9500萬(wàn)千瓦時(shí)。2017年，廣西全區(qū)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)109.8萬(wàn)千瓦，取得重大突破［4］，未來(lái)全區(qū)還會(huì)加大風(fēng)資源利用強(qiáng)度。

ス鵒幀⒑刂蕁⒂窳幀⒛夏、柳州和欽州建有不同容量風(fēng)電場(chǎng)。桂林市風(fēng)能資源豐富，已投產(chǎn)風(fēng)電容量63.2萬(wàn)kW。桂林風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量屬全區(qū)最高，風(fēng)電占有比例最大。區(qū)內(nèi)最大風(fēng)電項(xiàng)目在桂林興安，已并網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量40萬(wàn)千瓦。

4.2?欽州自然氣候

デ罩菔惺粲諮僑卻向熱帶過(guò)度性質(zhì)的海洋季風(fēng)氣候。高溫多雨，干濕季節(jié)分明，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，日照強(qiáng)度大，雷暴多發(fā)，季風(fēng)盛行，多年平均氣溫22.1℃。欽州常年盛行北風(fēng)，南風(fēng)次之，少有月份出現(xiàn)靜風(fēng)。風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯，9月至次年4月多偏北風(fēng)，5月至7月多偏南風(fēng)。夏秋兩季大風(fēng)日較多，臺(tái)風(fēng)一般由南海進(jìn)入北部灣，受到海南島和雷州半島的阻擋，風(fēng)力一般減弱至5-6級(jí)，平均每年大于8級(jí)的大風(fēng)日數(shù)為12天，僅在1954年8月30日產(chǎn)生一次強(qiáng)烈臺(tái)風(fēng)，風(fēng)力達(dá)12級(jí)［5］。

4.3?果園地理位置

ス園位于欽州市欽南區(qū)犀牛角河塘村，地處東經(jīng)108°76′，北緯21°73′，北接欽州市區(qū)，南臨北海市，有便利的交通條件和較為廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)。果園以低矮山坡為主，是典型的丘陵地帶，坡度和緩。自北向南，高低變化，局部有高地，少有低洼地段，地表粗糙度在0.02-0.3m之間。

圖2?果園示意牌

4.4?果園耗電分析

ス園主要用電器2.5kW抽水泵（HFD-20）、7.5kW遠(yuǎn)程抽水機(jī)（CH-120）、4kW管道離心泵（ISG100-100A）、3kW抽肥泵（2HP-20）。

圖3?用電器在果園的分布位置

ス園正常情況月耗電250度左右，平均耗電52度。其中抽水泵、打藥泵和管道離心泵耗能最多，抽肥泵單次使用時(shí)間較少，能耗較低。以上是果園理論耗電量，實(shí)際耗電量更大，每月耗電量約1000度。

5?欽州風(fēng)速

デ罩蕕乩砦恢媒咸厥猓其風(fēng)速比白龍尾半島、龍門(mén)地區(qū)小。欽州各月最大風(fēng)速均在10m/s以上，沿海平均風(fēng)速均在2.0m/s以上。為了使測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，根據(jù)欽州市犀牛腳鹽場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)的氣象資料統(tǒng)計(jì)得到，近三年犀牛腳鹽場(chǎng)年平均風(fēng)速值和2018年犀牛腳10分鐘平均風(fēng)速值如下：

6?風(fēng)機(jī)安裝點(diǎn)

6.1?安裝點(diǎn)A測(cè)風(fēng)情況

プ酆隙員攘醬問(wèn)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬半年風(fēng)速較大，測(cè)得最小風(fēng)速平均值為5.1m/s；夏季風(fēng)速較小，測(cè)得最小風(fēng)速平均值為19m/s。為使測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)更加合理，山頂、山底都有測(cè)風(fēng)，均發(fā)現(xiàn)風(fēng)力較大。安裝點(diǎn)具有良好地勢(shì)，山坡坡度較低，迎風(fēng)坡前有較多寬敞平地。平地夾于兩山之間，有較大壓力差，風(fēng)速較大。迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡覆有低矮灌木叢，沒(méi)有障礙物，山頂只有較少獨(dú)木，適合安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)。山坡腳下有水果篩選廠，需修建多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電。

測(cè)得最大平均風(fēng)速在5m/s以上，已經(jīng)達(dá)到風(fēng)機(jī)啟動(dòng)速度。安裝B點(diǎn)位于山頂，理論上山頂風(fēng)速應(yīng)為最大，但實(shí)測(cè)風(fēng)速較小，風(fēng)力在正常值之下。猜測(cè)山頂高大樹(shù)木遮擋，擋住了大部分來(lái)風(fēng)，故而風(fēng)速測(cè)量值較小。

6.3?安裝點(diǎn)C測(cè)風(fēng)情況

プ酆隙員攘醬尾夥紓夏半年風(fēng)速比冬半年風(fēng)速略小，但最大風(fēng)速都在4m/s以上。安裝點(diǎn)C地勢(shì)開(kāi)闊位于山頂平地，有良好的風(fēng)能條件。

6.4?小結(jié)

ス園冬半年風(fēng)力較大，夏半年次之。點(diǎn)A風(fēng)力最大，B點(diǎn)和C點(diǎn)的風(fēng)能都次于A點(diǎn)。A點(diǎn)冬季最小瞬時(shí)風(fēng)速為3.37m/s，最大風(fēng)速在12.57m/s，而夏半年的風(fēng)速較小。點(diǎn)B冬季最小瞬時(shí)風(fēng)速在1m/s左右，最大瞬時(shí)風(fēng)速在6.55m/s。點(diǎn)C冬季測(cè)風(fēng)最大值為5.89m/s，最小值為1.10m/s。

ス浪愎園風(fēng)能，取風(fēng)機(jī)高度12m，為使數(shù)據(jù)合理，綜合測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)取A、B、C三點(diǎn)風(fēng)速為6m/s、4m/s和5m/s；取風(fēng)輪直徑10m，理想狀態(tài)風(fēng)力持續(xù)1h，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，粗糙度0.01m。風(fēng)速隨地面高度的變化而改變，地面粗糙度越大，風(fēng)速變化越大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的風(fēng)速都是離地1.5m高度左右的風(fēng)速，那么根據(jù)風(fēng)廓線公式玼2玼1=玪n（玥2-d）┆-lnz0玪n（玥1-玠）-ln珃0，算得三地12m高度的風(fēng)速風(fēng)別為9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s。根據(jù)風(fēng)能密度公式玾=12ρv3，算得三點(diǎn)平均風(fēng)能密度都在150W/﹎2以上，根據(jù)風(fēng)能計(jì)算公式獷=12ρt┆玸v3則可算得風(fēng)能總量約為2.695×┆108獼。

7?備選風(fēng)力發(fā)電機(jī)

パ≡窈鮮實(shí)姆緇發(fā)電是減少能耗的關(guān)鍵，考慮電能運(yùn)輸損失，根據(jù)就近原則擬定方案，在A、B、C三點(diǎn)各建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)，配合電網(wǎng)分別給用電器供電。選擇江蘇乃爾風(fēng)電NE—20k風(fēng)機(jī)最為合理，該公司在新能源行業(yè)中具有領(lǐng)先技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢(shì)，擁有多項(xiàng)風(fēng)力發(fā)電專利，并通過(guò)多項(xiàng)國(guó)家檢驗(yàn)認(rèn)可，質(zhì)量安全可靠。

ス鬮餮睪５厙自然災(zāi)害頻繁，強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)天較多，雷暴天氣比較頻繁。每年9月下旬開(kāi)始出現(xiàn)偏北大風(fēng)，風(fēng)速大于11m/s。欽州沿海地區(qū)每月都會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)天，累年最大風(fēng)速為30m/s，所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全風(fēng)速在30m/s以上，其正常工作溫度為-40℃~80℃，可以抵抗果園惡略天氣的侵襲，風(fēng)機(jī)帶有自動(dòng)偏航系統(tǒng)，可以自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)來(lái)向，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較多的電能。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.5m/s時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)速達(dá)到3m/s時(shí)風(fēng)機(jī)開(kāi)始發(fā)電，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率持發(fā)電。

8?結(jié)論

ス園每月耗電1000度，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況，選擇風(fēng)機(jī)NE—20k，分別安裝在三個(gè)區(qū)域。A測(cè)風(fēng)點(diǎn)地勢(shì)較好、風(fēng)況較佳，可以選擇多個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)供電，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的用電器功率較小可以選擇安裝一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電，C點(diǎn)地處山頂，其用電器功率最大，可以選擇安裝兩個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。

プ酆霞定果園風(fēng)速在5m/s左右，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率圖算得發(fā)電機(jī)每小時(shí)可發(fā)電1度，冬半年大約可發(fā)4000度電解決供電問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝高度在12m以上，故而風(fēng)速會(huì)比現(xiàn)在估算值高，發(fā)電所得電能也會(huì)相應(yīng)增加。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量還需借助風(fēng)能轉(zhuǎn)換理論和貝茨理論計(jì)算。因風(fēng)穩(wěn)定性差、波動(dòng)性大，實(shí)際發(fā)電量還要看果園天氣狀況，且發(fā)電機(jī)的價(jià)格較貴，成本較高，風(fēng)力發(fā)電配合電網(wǎng)聯(lián)合供電使用較為合理。果園測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)只是粗略測(cè)得，需要準(zhǔn)確得出果園風(fēng)能數(shù)據(jù)還需建立測(cè)風(fēng)塔，保證測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的完整率。還需利用WasP、Windpro軟件對(duì)風(fēng)況進(jìn)行預(yù)測(cè)、優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的布置。

ゲ慰嘉南祝

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ィ3］屈婷婷，黃智，覃澤林，盧慶南，周保吉，梁富華.廣西現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀分析［J］.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2019，30（04）：186-189.

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プ髡嘸蚪椋和襞剩北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)；雷澤森，北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)；何金波，北部灣大學(xué)理學(xué)院，物理學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)。

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