风力机直径估算、空气密度随高度计算等相关计算

西藏高原环境对风力发电的影响
重庆大学  白树华 卢继平  阅读次数：45
摘要：西藏有较丰富的风能资源和太阳能资源，利用风能、太阳能解决无电地区居民的电力供应，对保持西藏经济可持续发展具有十分重要的意义。该文根据高原特殊的气候环境的特点，主要分析了西藏环境对风力发电性能的影响，提出了在风力发电系统设计中减小这些影响的对策和措施。
关键词：高原；风力发电；西藏
中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号:1003-0867(2006)09-0005-04
西藏境内，地势高亢，地形复杂，台地、山峰、河谷、湖泊等众多，为世界最高、最大的高原—青藏高原的主体，素有“世界屋脊”之称，特殊地理位置、地形地貌，形成了独特的西藏高原气候。目前，西藏全区总装机容量近500 MW，发电量1200 GWh，用电人口覆盖率约为57%，全区人均装机185 W，人均用电量444 kWh。至2004年底，用电人口160多万人，还有39%的乡镇和59%行政村没有通上电[1]。大力开发西藏较丰富的风能和太阳能资源是解决西藏电力供应需求的重要途径。目前，世界各国对风力发电的研究应用都很多，发展速度很快，但对于在西藏这样一个环境气候条件都十分恶劣的地区开展风力发电的应用研究却很少。本文根据高原特殊的气候环境的特点，主要分析了高原环境对风力发电性能的影响，提出了在风力发电系统设计中减小这些影响的对策和措施。
1 风能资源分布的影响
1.1 风能资源分布基本情况
西藏风能总储量约为773 TW。全区范围内基本上无年平均风速≥5.0 m/s的地区。位居全区风速高值区的藏北一线，以及喜马拉雅山脉与冈底斯山脉之间的山谷地带东段，年平均风速也只有4.0～4.3 m/s之间；其次是南部边缘的帕里、错那、普兰及东部的洛隆，年平均风速在3.0～3.9 m/s之间；东部的昌都和芒康由于地处比较封闭的河谷中，年平均风速只有1.2 m/s，为全区最小；其它各地风速在1.4～2.9 m/s之间。
从季节分布来看，冬、春季节风能相对丰富，秋季风能最小。冬季全区平均风速在0.8～5.0 m/s之间，最高值出现在藏北一线(4.1～5.0 m/s) ；春季属于全年风速最大的季节，藏北一线平均风速达到4.5～5.0 m/s；夏季风速减小，全区风速在0.9～4.1 m/s之间，最大风速出现在南部边缘的错那(4.1 m/s)和聂拉木(4.0 m/s)，此时藏北一线的风速减小到3.4～3.8 m/s；秋季全区风速比夏季还小，高值位于藏北及南部边缘地区(3.2～3.9 m/s)。
按照全国风能资源区划标准，10 m高度，风能资源丰富区风能功率密度≥200 W/m2，较丰富区风能功率密度≥150～200 W/m2，可利用区风能功率密度≥50～150 W/m2，贫乏区风能功率密度≤50 W/m2。根据西藏风能资源的实际分布状况，基本上可划分为两个区域，即风能可利用区和贫乏区。
风能资源可利用区：包括念青唐古拉山以北，东起那曲地区那曲县、西抵阿里地区革吉县，年风能功率密度在53～122 W/m2之间；南部边缘地区(即喜马拉雅山北麓)以及昌都地区的洛隆县风能功率密度在56～75 W/m2之间。风能资源贫乏区：是指除上述风能资源可利用区以外的西藏广大地区[2]。
1.2 风能资源状况对风力发电的影响
1.2.1 发电规模受限
由于西藏无风能资源丰富区，开发大型风力发电机组，实现并网发电的可行性很小。加之西藏地区地广人稀，人口密度不大，大多数乡（镇）、村规模不大，彼此距离较远，用电量相对不大，长距离输配电投资和损耗都很大，实现并网发电暂时还没有必要。因此在西藏推广中小型风力发电较为可行，具有一定的发展前景。
1.2.2 发电方式需要补充
西藏风能资源可利用的时段性极强，且主要集中在冬春季节，仅采用单一的风力发电形式，电能质量、可靠性和稳定性难以保证，需要考虑与其它能源形式配合使用，互补发电。
西藏太阳能资源居全国首位，是世界上最丰富的地区之一。年日照时数在1500～3400 h之间，辐射总量大部分地区为6000～8000 MJ/m2，直射比例大，年际变化小[3,4]。西藏太阳能资源与风能资源具有较好的互补性。开展风光互补发电，即可以补充部分时段风能不足，克服太阳能光伏发电造价高的缺点，同时发电质量、可靠性和稳定性也会更高。
1.2.3 应用地域受限
西藏部分地区不具备风力发电的条件，需要考虑其它的能源发电方式，如太阳能光伏发电，燃料电池等新型发电方式能够较好的解决这些地区的电力供应。
2 空气密度的影响
2.1 空气密度随高度的变化
根据气体状态方程式求得空气密度与海拔高度的关系为：

式中 ρH——海拔高度为H时的空气密度；
ρ0——标准状态下空气密度，海平面在摄氏
零度气温条件下空气的密度是1292 g/m3；
H——海拔高度（m）；
T0——绝对温度，为273 K；
a——空气温度梯度，约为0.0065 K/m。
大气压力和空气密度随海拔高度的变化见表1。
表1 大气压、空气密度与海拔高度的关系

2.2 西藏高原空气密度状况
西藏地势高，气压随高度下降很快，年均气压在65.25 kPa以下，不足海平面的2/3，空气密度0.57～0.89 kg/m3。如果取平原地区气压值为1，那么西藏各地的气压值：林芝为0.71、拉萨为0.66、那曲为0.62、安多为0.60。在温度相同的情况下，空气密度和气压是成正比的，而在高原上空气密度只有平原地区的75%～80%。
2.3 空气密度对风力发电的影响
由贝兹理论，理想叶轮从风源吸收的最大功率为

由常温标准大气压力下，空气密度值为1.225 kg/m3，在海拔4000 m以上的西藏地区，相对空气密度只有0.65，对相同参数的风轮机在两种空气密度下所获得的最大功率进行对比有：

式中 ρ1——海拔4000 m处空气密度；
ρ0——常温标准大气压力下空气密度。
即相同参数的风轮机叶轮在相同风速下，在西藏地区只能获得内地地区最大功率的2/3。由此可见，在西藏地区，空气密度对风轮机提取能量的影响已经十分显著，风力发电机在西藏地区应用时必须考虑空气密度随高度变化的影响。
2.4 改进措施
2.4.1 修正输出功率曲线
空气密度越低，风轮机输出功率就越小。由风轮机生产厂家提供风电机组的标准功率曲线是在标准大气压下的空气密度测定的，西藏地区空气密度与标准空气密度差别显著，因而风电机组的实际输出功率曲线与标准功率曲线会有显著不同，需要对风电机组的功率曲线进行修正，可以采用对风电机组的标准功率曲线乘以修正系数的方法。
标准空气密度条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的标准功率特性曲线。在安装地点条件下，风电机组输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的实际输出功率特性曲线。设x(v)和x0(v)分别为风电机组的实际功率特性曲线和标准功率特性曲线, 则它们之间的变换关系为[5]

式中 v——风速；
a——风速变换系数。

式中 ρ0——标准空气密度，取1.225 kg/m3；
ρ——风电场的空气密度。
在西藏地区可取a = (1/0.65)1/3≈1.147
对不同空气密度条件下理想风轮机输出功率特性曲线进行仿真，结果如图1所示。

图1 理想风轮机输出功率特性曲线
2.4.2 改进风轮设计
标准空气密度ρ0条件下，风轮直径的估算公式为

式中 P——叶轮从风源吸收的功率（W）；
ρ0——标准空气密度，取1.225 kg/m3；
v1——设计风速（风轮中心高度处），如取7.8 m/s；
D0——风轮直径（m）；
h1——发电机效率，取0.72；
h2——传动效率，取1.0；
CP——风能利用系数，取0.4。
其余参数不变，当空气密度从标准空气密度ρ0变化为ρ1时，为获得相同的功率，风轮直径变化为

与标准空气密度条件下求得的风轮直径相比，有

西藏地区ρ0/ρ1≈1/0.67≈3/2
有D1/D0 = (ρ0/ρ1)1/2 = (3/2)1/2≈6/5 = 1.2
即在其条件相同的情况下，用于西藏地区风力发电的风轮直径要增大1.2倍，才能获得相同的功率。
2.4.3 采用浓缩风能型风力发电机
浓缩风能型风力发电机的设计思想是为了克服风能能量密度低这一弱点，把稀薄的风能浓缩后利用，并且在浓缩风能的过程中，有效地克服风能的不稳定性这一弱点。从而实现提高风轮机的效率和可靠性及降低风力发电成本的目的[6-9]。
2.4.4 适当增加风轮机叶片安装高度
由于风速会随着高度的变化而变化，所以适当增加风轮机叶片的安装高度，可以使风轮机获得更多的风能，从而提高发电功率。
3 大气温度的影响
3.1 大气中温度随高度的变化
温度随高度的增加而降低是对流层的特征，根据观测记录，可以认为竖直温度梯度的数值等于0.6 ℃/100 m。气温与海拔高度的关系见表2。
表2 气温与海拔高度的关系

3.2 西藏高原大气温度变化情况
3.2.1 年平均气温低
按气温划分季节的标准，海拔4500 m以上地区四季皆冬，如那曲年平均气温为-2.1 ℃，拉萨年平均气温只有7.5 ℃。
3.2.2 温度随高度上升而下降
海拔越高，气温越低。藏东南海拔2500 m左右地区，平均气温在16 ℃ 以上，极端最高气温可达30～33℃；在海拔3500～4000 m的雅鲁藏布江河谷地带，年平均气温在7～8 ℃，极端最高气温27～29 ℃；到了海拔4500 m以上的藏北草原，年平均气温则下降到-21 ℃，极端最高气温仅有22 ℃，最低气温可达-40 ℃以下。
3.2.3 温度年差小、日差大
气温的年差是指一年当中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差。气温的日差是指一日当中的最高气温与最低气温之差。拉萨、林芝、日喀则等地，气温的平均日差为15 ℃左右[10] 。
3.3 大气温度变化对风力发电的影响
3.3.1 温度变化对功率输出的影响[11]
根据风能转换原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素也显著地影响其功率输出。由于功率曲线是在空气标准状态下测出的，这时空气密度r＝1.225 kg/m3 。当气压与气温变化时，ρ会跟着变化，一般当温度变化±10 ℃，相应的空气密度变化±4%。
由于定桨距风力发电机组的桨叶失速性能只与风速有关，只要达到叶片气动外形所决定的失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶失速性能都要起作用，影响功率输出。通常在内陆地区冬季与夏季，应对桨叶的安装角各作一次调整便可适应变化。由于西藏地区大气温度日差大，平均约为15℃左右，引起空气密度变化显著，使风力发电机组输出功率波动较大，因此，定桨距风力发电机组不适于在西藏地区应用。
3.3.2 风电机组的覆冰
西藏地区气候变化急剧，温差幅度较大。除喜马拉雅山南坡外，其余各地都有不同程度的霜冻现象，藏北高原最为严重，无霜期不超过70天。喜马拉雅山北麓及丁青、索县等海拔3800～4200 m之间的地区次之，无霜期只有100天左右。
处于临界状态的雨、雪、雾、露遇到低温的设备和金属结构表面时结冰，覆冰对电力系统安全运行危害较大。风轮机浆叶的覆冰会带来风轮运行的不平衡，风速、风向仪和风速平衡装置的覆冰将影响机组的运行和控制。
3.3.3 对发电机的影响
温差大易引起发电机绕组表面冷凝，可在发电机内部安装电加热器[11] 。
4 雷暴的影响
4.1 西藏雷暴情况[11,12]
西藏高原海拔高、气压低、空气干燥，夏天多夜雨，雷暴日数多，高原的雷暴日数比同纬度我国平原地区、太平洋、伊朗高原等都多出2倍以上，甚至有的多达10倍，成为北半球同纬度地带雷暴日数最多的地区，属于雷暴多发地。西藏地区雷暴多发区有三个高值中心：第一个是以索县为中心，年雷暴日数达到87天，第二个是以江孜为中心，年雷暴日数为76天，第三个高值中心则在贡嘎，雷暴日数为82天。
4.2 雷击危害[13]
雷击是影响风力发电机组运行安全的一个重要因素。德国风电部门对该国风电机组的故障情况进行了统计，结果显示德国风电场每年每百台风机的雷击率基本在10%左右，在所有引发风电机组故障的外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）中雷击约占25%[14] 。在我国，雷击损坏情况最严重的是海南东方风电场，近年来仅风机叶片的雷击年损坏率就达5.56%。对风电机组危险性最大的是峰值较低的雷电流，这些快速变化的雷电流将产生暂态磁场，而暂态磁场可以通过感应和辐射对周围的电子系统造成危害。
4.3 解决措施
加强对风力发电机防雷接地设施的研究与开发，做好对防雷设备的保养与检修。
5 其它因素的影响
除以上提到的影响风力发电机性能的因素外，日照强度、空气湿度、流沙尘埃、地形等对风力发电机也有一定的影响，需要给予必要的重视。
5.1 日照的影响
发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差。而电机又应是密闭结构，靠电机的外壳散热，因此风力发电机的散热条件比通常使用情况下的条件较差。西藏地区日照时间长、辐射强，太阳直晒机舱外壳(多数为金属外壳)，使机舱内空气温度升高，需要对发电机耐高温的绝缘等级予以必要的考虑，应该选用较高等级的绝缘材料。
5.2 空气湿度的影响
发电机位于室外高空的机舱内，虽然机舱是封闭的，但并不十分严密，机舱外的风雨、雾、沙等仍有漏泄而进入机舱的可能。由于西藏地区气候变化迅速，雨季明显，使机舱经常处在云雾之中，舱内湿度很大，因此也要求有耐湿热性较好的绝缘材料。
6 结束语
西藏地区无风能资源丰富区，加之西藏地区特殊的地理条件和分散的人口居住状况，以开展中小规模的风力发电系统和风能与其它能源形式混合应用较为适宜。
西藏地区空气密度低，对风力发电机输出功率的影响十分显著，需要对风力发电机的设计进行必要的改进。
西藏地区温度变化迅速，不利于定桨距风力发电机组的使用，可以采用主动失速型定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组等。
西藏是雷暴高发区，雷击是影响风电场运行安全的一个重要因素。风力发电机组在西藏应用中防雷问题十分突出，必须给予高度重视。