風電技術應用于果園用電的設計項目研究報告

汪攀 雷澤森 何金波

フ?要：風能作為清潔可再生能源，符合我國可持續發展政策對能源的戰略需求，但是囿于起步較晚、風能資源分布不均衡，我國對風能資源的開發并不充分。為響應國家發展綠色經濟的號召，本研究著眼于風電技術的實際應用，通過實地調研法、文獻查閱法等研究方法，對欽州市犀牛角河塘村果園進行了風力發電應用設計，系統分析了果園地理位置、整體環境與用電量，考察并確定了3處安裝點。以測試的果園風速數據為基礎，確定了風力發電機的相關參數，實現了一個較為完善的果園風力發電設計。在幫助果園實現循環農業的同時，也為欽州市風力資源的開發與利用提供參考，推動風電與現代綠色農業有機結合，改善當地乃至更大范圍的能源利用結構。

ス丶詞：清潔能源；風能；風力發電

1?選題背景

1.1?中國風能資源現狀

1.1.1?風能資源豐富、利用空間大

ゾ萃臣莆夜的風能總量處于世界第三。根據全國900多個氣象站以陸地上離地10m高度進行估算，全國平均風功率密度為100w/m2，風能資源總儲量約32.26億千瓦，可開發和利用的陸地風能儲量2.53億千瓦，近?？砷_發和可利用的風能儲量7.5億千瓦，共計約10億千瓦［1］。

1.1.2?風能資源分布不均衡

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

1.2?中國風能資源開發現狀

シ緄縉鴆澆賢懟⒎⒄寡桿?。我褂谏鲜兰o末開始研究風電，到2017年，全國風機新增裝機容量1966萬千瓦，累計裝機容量達1.88億千瓦，每年新增裝機容量都在不停上升，只是近幾年增速放緩。風電已逐步成為我國主流發電方式，2017年，中國六大區域的風電新增裝機容量如下圖所示。三北地區新增裝機容量達45%，華東、中西南地區新增裝機容量達55%。全國不同程度利用風資源，風電裝機容量持續上升，符合國家能源局《風電發展“十三五”規劃》。

圖1?2017年中國六大區域風電新增裝機容量占比

2?研究目的及意義

ス鬮髂茉炊倘保一次能源匱乏，限制地域發展。為解決能源匱乏問題，國家給予多方面政策支持，廣西應積極開發無污染的清潔能源。

シ縋蓯強煽?、无污如R那褰嗄茉矗有效減輕環境壓力，保護環境。針對我國一次能源匱乏以及可在生能源開發率較低的問題，本研究根據能源資源學、可持續發展、地理資源學等為基礎，以及在《氣象部門參與全國大型風電場建設前期工作方案》、《關于組織開展風能資源普查評價工作的通知》的政治背景下，把欽州犀牛角果園定為研究區，根據風速計以及氣象局的測試，發現研究區具有良好的風電資源，在此研究區利用風力發電可減輕部分能源匱乏問題。

3?研究方法

ナ檔氐餮蟹ǎ憾怨園進行實地考察，了解果園風力資源狀況。

ノ南撞樵姆ǎ旱餮惺據、查閱數據為基礎，運用歸納總結、統計分析等不同方法對果園風電安裝進行探索研究［3］。

ニ婊取樣法：在果園進行隨機性的采樣，通過測定風速采用隨機性來間接性的降低因為天氣變化等不可避免因素帶來的偶然誤差。

ネ臣剖據法：通過取多組數據，來尋找風速的變化規律，以此達到最大程度的增強數據的可靠性和權威性。

ソ立數學模型：對數據擬合，運用office等軟件，建立柱狀圖、折線圖、扇形圖，直觀的了解數據。

4?研究內容

4.1?廣西風能開發現狀

ァ笆二五”期間廣西風資源正式開發，金紫山風電場是廣西最大風電場，2011年正式并網發電，年并網發電量約9500萬千瓦時。2017年，廣西全區并網風電裝機容量達109.8萬千瓦，取得重大突破［4］，未來全區還會加大風資源利用強度。

ス鵒幀⒑刂蕁⒂窳幀⒛夏、柳州和欽州建有不同容量風電場。桂林市風能資源豐富，已投產風電容量63.2萬kW。桂林風電規劃裝機容量屬全區最高，風電占有比例最大。區內最大風電項目在桂林興安，已并網發電裝機容量40萬千瓦。

4.2?欽州自然氣候

デ罩菔惺粲諮僑卻向熱帶過度性質的海洋季風氣候。高溫多雨，干濕季節分明，冬無嚴寒，夏無酷暑，日照強度大，雷暴多發，季風盛行，多年平均氣溫22.1℃。欽州常年盛行北風，南風次之，少有月份出現靜風。風向隨季節變化明顯，9月至次年4月多偏北風，5月至7月多偏南風。夏秋兩季大風日較多，臺風一般由南海進入北部灣，受到海南島和雷州半島的阻擋，風力一般減弱至5-6級，平均每年大于8級的大風日數為12天，僅在1954年8月30日產生一次強烈臺風，風力達12級［5］。

4.3?果園地理位置

ス園位于欽州市欽南區犀牛角河塘村，地處東經108°76′，北緯21°73′，北接欽州市區，南臨北海市，有便利的交通條件和較為廣闊的消費市場。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遠程抽水機（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，抽肥泵單次使用時間較少，能耗較低。以上是果園理論耗電量，實際耗電量更大，每月耗電量約1000度。

5?欽州風速

デ罩蕕乩砦恢媒咸厥猓其風速比白龍尾半島、龍門地區小。欽州各月最大風速均在10m/s以上，沿海平均風速均在2.0m/s以上。為了使測風數據更加準確，根據欽州市犀牛腳鹽場自動氣象觀測站實測的氣象資料統計得到，近三年犀牛腳鹽場年平均風速值和2018年犀牛腳10分鐘平均風速值如下：

6?風機安裝點

6.1?安裝點A測風情況

プ酆隙員攘醬問據，發現冬半年風速較大，測得最小風速平均值為5.1m/s；夏季風速較小，測得最小風速平均值為19m/s。為使測風數據更加合理，山頂、山底都有測風，均發現風力較大。安裝點具有良好地勢，山坡坡度較低，迎風坡前有較多寬敞平地。平地夾于兩山之間，有較大壓力差，風速較大。迎風坡和背風坡覆有低矮灌木叢，沒有障礙物，山頂只有較少獨木，適合安裝風力發電機。山坡腳下有水果篩選廠，需修建多個風力發電機供電。

測得最大平均風速在5m/s以上，已經達到風機啟動速度。安裝B點位于山頂，理論上山頂風速應為最大，但實測風速較小，風力在正常值之下。猜測山頂高大樹木遮擋，擋住了大部分來風，故而風速測量值較小。

6.3?安裝點C測風情況

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

6.4?小結

ス園冬半年風力較大，夏半年次之。點A風力最大，B點和C點的風能都次于A點。A點冬季最小瞬時風速為3.37m/s，最大風速在12.57m/s，而夏半年的風速較小。點B冬季最小瞬時風速在1m/s左右，最大瞬時風速在6.55m/s。點C冬季測風最大值為5.89m/s，最小值為1.10m/s。

ス浪愎園風能，取風機高度12m，為使數據合理，綜合測風數據取A、B、C三點風速為6m/s、4m/s和5m/s；取風輪直徑10m，理想狀態風力持續1h，標準空氣密度，粗糙度0.01m。風速隨地面高度的變化而改變，地面粗糙度越大，風速變化越大?，F場測量的風速都是離地1.5m高度左右的風速，那么根據風廓線公式玼2玼1=玪n（玥2-d）┆-lnz0玪n（玥1-玠）-ln珃0，算得三地12m高度的風速風別為9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s。根據風能密度公式玾=12ρv3，算得三點平均風能密度都在150W/﹎2以上，根據風能計算公式獷=12ρt┆玸v3則可算得風能總量約為2.695×┆108獼。

7?備選風力發電機

パ≡窈鮮實姆緇發電是減少能耗的關鍵，考慮電能運輸損失，根據就近原則擬定方案，在A、B、C三點各建立風力發電機，配合電網分別給用電器供電。選擇江蘇乃爾風電NE—20k風機最為合理，該公司在新能源行業中具有領先技術研發優勢，擁有多項風力發電專利，并通過多項國家檢驗認可，質量安全可靠。

ス鬮餮睪５厙自然災害頻繁，強對流大風天較多，雷暴天氣比較頻繁。每年9月下旬開始出現偏北大風，風速大于11m/s。欽州沿海地區每月都會出現大風天，累年最大風速為30m/s，所選風力發電機安全風速在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，風機帶有自動偏航系統，可以自動對準風來向，使風機產生較多的電能。當風速達到2.5m/s時風機啟動，風速達到3m/s時風機開始發電，當風速達到12m/s時，風機達到額定功率持發電。

8?結論

ス園每月耗電1000度，根據當地風況，選擇風機NE—20k，分別安裝在三個區域。A測風點地勢較好、風況較佳，可以選擇多個風機并聯供電，B點對應的用電器功率較小可以選擇安裝一個風力發電機單獨供電，C點地處山頂，其用電器功率最大，可以選擇安裝兩個風力發電機并聯供電。

プ酆霞定果園風速在5m/s左右，根據風機功率圖算得發電機每小時可發電1度，冬半年大約可發4000度電解決供電問題。風力發電機的安裝高度在12m以上，故而風速會比現在估算值高，發電所得電能也會相應增加。風力發電機發電量還需借助風能轉換理論和貝茨理論計算。因風穩定性差、波動性大，實際發電量還要看果園天氣狀況，且發電機的價格較貴，成本較高，風力發電配合電網聯合供電使用較為合理。果園測風數據只是粗略測得，需要準確得出果園風能數據還需建立測風塔，保證測風數據的完整率。還需利用WasP、Windpro軟件對風況進行預測、優化風電機組的布置。

ゲ慰嘉南祝

ィ1］王建新.綠色建筑視角下的建筑節能技術運用［J］.科技經濟導刊，2019，27（03）：106.

ィ2］黃海燕.低碳經濟背景下風力發電布局與評價研究［D］.遼寧師范大學，2010.

ィ3］屈婷婷，黃智，覃澤林，盧慶南，周保吉，梁富華.廣西現代特色農業示范區建設現狀分析［J］.農村經濟與科技，2019，30（04）：186-189.

ィ4］李镕耀.“十三五”及中長期廣西風電發展形勢分析［J］.紅水河，2017，36（04）：59-61.

ィ5］鄭暖芳，張放.海港建設與海上運輸［J］.學術論壇，1985（04）：31-33.

プ髡嘸蚪椋和襞剩北部灣大學理學院，物理學、數學與應用數學專業；雷澤森，北部灣大學理學院，物理學、數學與應用數學專業；何金波，北部灣大學理學院，物理學、數學與應用數學專業。

ブ傅祭鮮Γ褐芐≈欏