風力發電機組光影閃變分析

何 一，孫 慶

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 風電發展概況

我國風力發電發展迅速，截至2016年底，全國風電并網裝機容量達到14 864萬kW，風電年發電量2 410億kW·h，同比增長29%，約占全國總用電量的4%。根據“十三五”規劃，到2020年，我國的風電裝機容量預計將達到2.1億kW，年發電量達到4 200億kW·h。目前已建成的風力發電機組近10萬臺，在全國范圍內廣泛分布，作為一種工業設備，在噪音、光影等方面不可避免地對附近居民正常的生產生活產生影響。

2 光影閃變影響

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

由于風機技術的發展，風電機組未來的發展趨勢是更高輪轂、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超過了噪音影響的標準范圍，由于國家還未出臺相關的強制規定，在風機選址時未作為主要因素進行考慮，在部分地區甚至出現了風機光影閃變投射到居民院落內、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，正在制定的相關規程規范已經考慮光影閃變的相關影響。光影閃變的敏感區域初步劃定為每年不超過30 h。

圖1 光影閃變區示意

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域風機光影閃變出現在風機位置以北，北回歸線以南區域風機光影閃變集中在風機周邊及偏北區域。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)

根據方位角計算結果，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(北回歸線以北區域正午太陽位置都位于風機以南，北回歸線以南區域部分時間可位于風機以北)，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。當葉輪方向(即風向)為南北向時，綜合計算一年的投影面積最大。下面以主風向為南北向，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為單位網格分析各類因素變化對光影閃變理論時長的影響。

統計計算方法：通過計算某一時刻葉片翼尖旋轉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，統計出風機附近各網格點處于投影范圍內的時間長度，即該點一年內理論上發生光影閃變的時長。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在風機位置正北處，緯度0°時出現在正北和正南各10 m處，時長約775 h；隨緯度升高，距風機距離和時長均增加，當緯度40°時出現在正北40 m處，時長約1 253 h；緯度進一步升高后，距風機距離繼續增加而時長減少，當緯度60°時出現在正北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生偏轉。不同緯度處30 h光影閃變影響參數見表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

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

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在風機位置正北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

5 對光影閃變時長的其他影響因素

以上就特定狀態下風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)風向因素。在主風向非南北向時，會減少某些方向上的光影閃變時長及總的影響范圍。

(3)風力因素。在風力小于啟動風速時，或機組故障停機時，風機槳葉不會轉動或極緩慢轉動，此時有陰影但不形成閃變。我國大多數地區上半天的風速較小或無風，風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機位置的海拔高差，會帶來投影距離增減。

6 結 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，可有效規避場區附近的建筑物，使風力發電充分發揮其環保、綠色、可再生的優勢，更好地與人民群眾的生活有益結合，促進可再生能源的和諧發展。