风电技术应用于果园用电的设计项目研究报告
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摘 要：風能作为清洁可再生能源，符合我国可持续发展政策对能源的战略需求，但是囿于起步较晚、风能资源分布不均衡，我国对风能资源的开发并不充分。为响应国家发展绿色经济的号召，本研究着眼于风电技术的实际应用，通过实地调研法、文献查阅法等研究方法，对钦州市犀牛角河塘村果园进行了风力发电应用设计，系统分析了果园地理位置、整体环境与用电量，考察并确定了3处安装点。以测试的果园风速数据为基础，确定了风力发电机的相关参数，实现了一个较为完善的果园风力发电设计。在帮助果园实现循环农业的同时，也为钦州市风力资源的开发与利用提供参考，推动风电与现代绿色农业有机结合，改善当地乃至更大范围的能源利用结构。
关键词：清洁能源；风能；风力发电
1 选题背景
1.1 中国风能资源现状
1.1.1 风能资源丰富、利用空间大
据统计我国的风能总量处于世界第三。根据全国900多个气象站以陆地上离地10m高度进行估算，全国平均风功率密度为100w/m2，风能资源总储量约32.26亿千瓦，可开发和利用的陆地风能储量2.53亿千瓦，近海可开发和可利用的风能储量7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦［1］。
1.1.2 风能资源分布不均衡
我国东部沿海受海风影响，风能资源最丰富；北部内蒙古地区地势平坦，常年受西北风影响，风能资源也为丰富；西北地区，受冬季风的影响，风能密度达200－300w/m2。东北三省到新疆一带是北部地区风能丰富区，风能资源为内陆最优；黑龙江和吉林东部以及辽东半岛，风能较大。四川盆地、塔里木盆地、雅鲁藏布江河谷等地，受高山影响，冷空气难以进入，风资源贫乏，只能季节性利用风能。不同地貌、不同高度，对风能的影响都是不同的。根据资料显示，我国垂直地面50米高度平均风能资源大体可以划分为贫乏区、一般区、较丰富区和丰富区。［2］
1.2 中国风能资源开发现状
风电起步较晚、发展迅速。我国于上世纪末开始研究风电，到2017年，全国风机新增装机容量1966万千瓦，累计装机容量达1.88亿千瓦，每年新增装机容量都在不停上升，只是近几年增速放缓。风电已逐步成为我国主流发电方式，2017年，中国六大区域的风电新增装机容量如下图所示。三北地区新增装机容量达45%，华东、中西南地区新增装机容量达55%。全国不同程度利用风资源，风电装机容量持续上升，符合国家能源局《风电发展“十三五”规划》。
图1 2017年中国六大区域风电新增装机容量占比
2 研究目的及意义
广西能源短缺，一次能源匮乏，限制地域发展。为解决能源匮乏问题，国家给予多方面政策支持，广西应积极开发无污染的清洁能源。
风能是可靠、无污染的清洁能源，有效减轻环境压力，保护环境。针对我国一次能源匮乏以及可在生能源开发率较低的问题，本研究根据能源资源学、可持续发展、地理资源学等为基础，以及在《气象部门参与全国大型风电场建设前期工作方案》、《关于组织开展风能资源普查评价工作的通知》的政治背景下，把钦州犀牛角果园定为研究区，根据风速计以及气象局的测试，发现研究区具有良好的风电资源，在此研究区利用风力发电可减轻部分能源匮乏问题。
3 研究方法
实地调研法：对果园进行实地考察，了解果园风力资源状况。
文献查阅法：调研数据、查阅数据为基础，运用归纳总结、统计分析等不同方法对果园风电安装进行探索研究［3］。
随机取样法：在果园进行随机性的采样，通过测定风速采用随机性来间接性的降低因为天气变化等不可避免因素带来的偶然误差。
统计数据法：通过取多组数据，来寻找风速的变化规律，以此达到最大程度的增强数据的可靠性和权威性。
建立数学模型：对数据拟合，运用office等软件，建立柱状图、折线图、扇形图，直观的了解数据。
4 研究内容
4.1 广西风能开发现状
“十二五”期间广西风资源正式开发，金紫山风电场是广西最大风电场，2011年正式并网发电，年并网发电量约9500万千瓦时。2017年，广西全区并网风电装机容量达109.8万千瓦，取得重大突破［4］，未来全区还会加大风资源利用强度。
桂林、贺州、玉林、南宁、柳州和钦州建有不同容量风电场。桂林市风能资源丰富，已投产风电容量63.2万kW。桂林风电规划装机容量属全区最高，风电占有比例最大。区内最大风电项目在桂林兴安，已并网发电装机容量40万千瓦。
4.2 钦州自然气候
钦州市属于亚热带向热带过度性质的海洋季风气候。高温多雨，干湿季节分明，冬无严寒，夏无酷暑，日照强度大，雷暴多发，季风盛行，多年平均气温22.1℃。钦州常年盛行北风，南风次之，少有月份出现静风。风向随季节变化明显，9月至次年4月多偏北风，5月至7月多偏南风。夏秋两季大风日较多，台风一般由南海进入北部湾，受到海南岛和雷州半岛的阻挡，风力一般减弱至5-6级，平均每年大于8级的大风日数为12天，仅在1954年8月30日产生一次强烈台风，风力达12级［5］。
4.3 果园地理位置
果园位于钦州市钦南区犀牛角河塘村，地处东经108°76′，北纬21°73′，北接钦州市区，南临北海市，有便利的交通条件和较为广阔的消费市场。果园以低矮山坡为主，是典型的丘陵地带，坡度和缓。自北向南，高低变化，局部有高地，少有低洼地段，地表粗糙度在0.02-0.3m之间。
图2 果园示意牌 4.4 果園耗电分析
果园主要用电器2.5kW抽水泵（HFD-20）、7.5kW远程抽水机（CH-120）、4kW管道离心泵（ISG100-100A）、3kW抽肥泵（2HP-20）。
图3 用电器在果园的分布位置
果园正常情况月耗电250度左右，平均耗电52度。其中抽水泵、打药泵和管道离心泵耗能最多，抽肥泵单次使用时间较少，能耗较低。以上是果园理论耗电量，实际耗电量更大，每月耗电量约1000度。
5 钦州风速
钦州地理位置较特殊，其风速比白龙尾半岛、龙门地区小。钦州各月最大风速均在10m/s以上，沿海平均风速均在2.0m/s以上。为了使测风数据更加准确，根据钦州市犀牛脚盐场自动气象观测站实测的气象资料统计得到，近三年犀牛脚盐场年平均风速值和2018年犀牛脚10分钟平均风速值如下：
6 风机安装点
6.1 安装点A测风情况
综合对比两次数据，发现冬半年风速较大，测得最小风速平均值为5.1m/s；夏季风速较小，测得最小风速平均值为19m/s。为使测风数据更加合理，山顶、山底都有测风，均发现风力较大。安装点具有良好地势，山坡坡度较低，迎风坡前有较多宽敞平地。平地夹于两山之间，有较大压力差，风速较大。迎风坡和背风坡覆有低矮灌木丛，没有障碍物，山顶只有较少独木，适合安装风力发电机。山坡脚下有水果筛选厂，需修建多个风力发电机供电。
测得最大平均风速在5m/s以上，已经达到风机启动速度。安装B点位于山顶，理论上山顶风速应为最大，但实测风速较小，风力在正常值之下。猜测山顶高大树木遮挡，挡住了大部分来风，故而风速测量值较小。
6.3 安装点C测风情况
综合对比两次测风，夏半年风速比冬半年风速略小，但最大风速都在4m/s以上。安装点C地势开阔位于山顶平地，有良好的风能条件。
6.4 小结
果园冬半年风力较大，夏半年次之。点A风力最大，B点和C点的风能都次于A点。A点冬季最小瞬时风速为3.37m/s，最大风速在12.57m/s，而夏半年的风速较小。点B冬季最小瞬时风速在1m/s左右，最大瞬时风速在6.55m/s。点C冬季测风最大值为5.89m/s，最小值为1.10m/s。
估算果园风能，取风机高度12m，为使数据合理，综合测风数据取A、B、C三点风速为6m/s、4m/s和5m/s；取风轮直径10m，理想状态风力持续1h，标准空气密度，粗糙度0.01m。风速随地面高度的变化而改变，地面粗糙度越大，风速变化越大。现场测量的风速都是离地1.5m高度左右的风速，那么根据风廓线公式u2u1=ln（h2-d）-lnz0ln（h1-d）-lnz0，算得三地12m高度的风速风别为9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s。根据风能密度公式w=12ρv3，算得三点平均风能密度都在150W/m2以上，根据风能计算公式E=12ρtsv3则可算得风能总量约为2.695×108J。
7 备选风力发电机
选择合适的风机发电是减少能耗的关键，考虑电能运输损失，根据就近原则拟定方案，在A、B、C三点各建立风力发电机，配合电网分别给用电器供电。选择江苏乃尔风电NE—20k风机最为合理，该公司在新能源行业中具有领先技术研发优势，拥有多项风力发电专利，并通过多项国家检验认可，质量安全可靠。
广西沿海地区自然灾害频繁，强对流大风天较多，雷暴天气比较频繁。每年9月下旬开始出现偏北大风，风速大于11m/s。钦州沿海地区每月都会出现大风天，累年最大风速为30m/s，所选风力发电机安全风速在30m/s以上，其正常工作温度为-40℃~80℃，可以抵抗果园恶略天气的侵袭，风机带有自动偏航系统，可以自动对准风来向，使风机产生较多的电能。当风速达到2.5m/s时风机启动，风速达到3m/s时风机开始发电，当风速达到12m/s时，风机达到额定功率持发电。
8 结论
果园每月耗电1000度，根据当地风况，选择风机NE—20k，分别安装在三个区域。A测风点地势较好、风况较佳，可以选择多个风机并联供电，B点对应的用电器功率较小可以选择安装一个风力发电机单独供电，C点地处山顶，其用电器功率最大，可以选择安装两个风力发电机并联供电。
综合鉴定果园风速在5m/s左右，根据风机功率图算得发电机每小时可发电1度，冬半年大约可发4000度电解决供电问题。风力发电机的安装高度在12m以上，故而风速会比现在估算值高，发电所得电能也会相应增加。风力发电机发电量还需借助风能转换理论和贝茨理论计算。因风稳定性差、波动性大，实际发电量还要看果园天气状况，且发电机的价格较贵，成本较高，风力发电配合电网联合供电使用较为合理。果园测风数据只是粗略测得，需要准确得出果园风能数据还需建立测风塔，保证测风数据的完整率。还需利用WasP、Windpro软件对风况进行预测、优化风电机组的布置。
参考文献：
［1］王建新.绿色建筑视角下的建筑节能技术运用［J］.科技经济导刊，2019，27（03）：106.
［2］黄海燕.低碳经济背景下风力发电布局与评价研究［D］.辽宁师范大学，2010.
［3］屈婷婷，黄智，覃泽林，卢庆南，周保吉，梁富华.广西现代特色农业示范区建设现状分析［J］.农村经济与科技，2019，30（04）：186-189.
［4］李镕耀.“十三五”及中长期广西风电发展形势分析［J］.红水河，2017，36（04）：59-61.
［5］郑暖芳，张放.海港建设与海上运输［J］.学术论坛，1985（04）：31-33.
作者简介：汪攀，北部湾大学理学院，物理学、数学与应用数学专业；雷泽森，北部湾大学理学院，物理学、数学与应用数学专业；何金波，北部湾大学理学院，物理学、数学与应用数学专业。
指导老师：周小珠。
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