西藏地區高原風電機組及開發方式選擇

孟正

摘要：西藏地區的風力資源較豐富，隨著社會經濟發展，當地電力供應需求進一步增大，開發西藏風能資源是解決途徑之一。文章分析了西藏高原風電資源情況，闡述了西藏地區風電開發的可行性，說明了高原特殊環境對風力發電機組的特殊要求，提出了西藏地區風電開發方式選擇。

關鍵詞：西藏地區；高原風電機組；風電開發；風力資源；電力供應；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）31-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.033

西藏地區位于中國西南邊陲，區域內的高山深谷相間，素有“世界屋脊”之稱，受海拔高度、長時間日照等因素，西藏高原形成了獨特的高原氣候。

西藏風能總儲量約為773TW。現階段，西藏能源已經基本建成以水力能源為主，可再生能源和油氣互補能源的可持續發展綜合能源體系。隨著今后社會經濟產業技術的進一步發展，西藏地區也將建設成為“西電東送”接續基地。風能作為清潔能源具有低碳、環保和可持續性，隨著社會經濟發展和產業技術的發展，其在西藏地區開發利用的前景十分廣闊。

1 西藏地區風電資源概況

1.1 平均風速分布情況

西藏地區具有大風持續時間長、風能分布地區廣等的特點，年平均大風日可達100～150d，最多可以達到200d，比同緯度中國東部地區（5～25d）多3～4倍。其中，全區風速高值地區為岡底斯山脈以及喜馬拉雅山脈之間的山谷地帶東段地區及西藏高原北部地區，年平均風速為4.0～4.3m/s；中值地區為帕里、普蘭、錯那及洛隆等區域，年平均風速為3.0～3.9m/s；低值地區為藏區其他區域，年平均風速僅為1.4～2.9m/s，其中昌都和芒康地區的年平均風速僅僅1.2m/s。

1.2 風能分區

風能分區的地理位置分布總體與當地平均風速相對應進行劃分，按照全國風能資源區劃標準，西藏整體沒有風能資源豐富區及風能資源較豐富區，主要為風能資源可利用區。風能資源可利用區主要包括的地區有自那曲地區那曲縣到阿里地區革吉縣、念青唐古拉山以北（年風能功率密度約在53～122W/m2之間）、喜馬拉雅山北麓以及昌都地區的洛隆縣（年風能功率密度在56～75W/m2之間）。除上述地區以外的藏區都可認定為風能資源貧乏區。

2 西藏地區氣候對機組的特殊要求

2.1 空氣密度較低對設備的要求

大氣空氣密度隨海拔高度的上升相應下降十分明顯，如海平面標準大氣壓為1013.2百帕斯卡（760mm水銀柱），而西藏地區年均氣壓在652.5百帕斯卡以下（760mm水銀柱），不足標準大氣壓的65%，空氣密度在0.57～0.89kg/m3之間。此外，由于西藏地區平均海拔高，在同等溫度條件下，相應的空氣密度呈現顯著降低特點。

從表1中可得，相對空氣密度和相對大氣壓力都在隨著海拔高度升高相應減少。以風能資源可利用區的那曲地區（平均海拔4507m計）為例，空氣密度為0.731kg/m3，大氣壓力589百帕斯卡對應的相對空氣密度降低27%，相對大氣壓力降低了約41%。

此外，根據某風電場歷年統計數據可以得知：一旦空氣密度高于或低于年平均空氣密度設計值，風電機組輸出功率都會明顯低于設計值，出現風能資源利用損失情況，而且隨著實際空氣密度與年平均空氣密度的差值越大，相應的風電機組輸出功率損失越多。由上述情況，我們可以明確地得出發電功率受到空氣密度的嚴重影響，且與空氣密度成比例關系。

可根據發電機組的功率公式：

（P為功率、η為轉換效率、ρ為空氣密度、ν為水平風速、L為葉片長度）

得出在轉換效率、水平風速、葉片長度一定下，發電機效率與空氣密度成正比。

現階段，若將相同參數的風輪機葉輪直接應用于西藏地區高原風場，在相同風速下獲得功率偏低，相對于內地最大功率損失十分明顯，較低的空氣密度使得風機獲取提取能量的利用率下降，所以在高原風力發電機研發設計時，必須考慮海拔高度變化對空氣密度的影響，在機組設計過程中針對風力發電機應開展如加長葉片半徑、提高轉換效率等研究。

2.2 長時間日照輻射

西藏地區風能可利用區基本位于西藏西部及北部，這部分地區相應的太陽能資源也很豐富，全年日照時間可達3200～3300h。目前市場上的機組機艙外殼基本為金屬外殼，由于西藏地區空氣密度偏低，長時間、大輻射量的太陽直射機艙，很容易使艙內空氣溫度升高，在進行發電機組的選用時，首先考慮采用耐高溫絕緣材料及機組內部通風要求。

2.3 冬季長時間低溫雨雪天氣

西藏地區普遍為高寒地區，風能可利用區普遍存在雪、霧、雨、露等天氣現象。

由于遇到覆冰時，風輪機漿葉的重量分布變得不均勻，產生風輪運行不平衡現象，對風場安全運行、電力系統安全運行產生了較大的危害，同時對設備也易造成嚴重損害，尤其是風向儀、風速儀和風速平衡裝置等精密儀器，一旦覆冰情況發生，將造成機組控制不便、無法根據現場情況調整運行狀態等。

覆冰狀態下工作狀況十分不利于定槳距風力發電機組運行，高原型風機應多采用變槳距風力發電機組或主動失速型定槳距風力發電機組，這些類型的機組在控制系統上更加適合惡劣的氣候，也可考慮采用槳葉內部加裝加溫裝置、實時監控除冰作業等方式保障機組安全運行。此外，針對發電機位于室外的機艙，雨、霧、沙等雜質仍有很大的可能進入機艙內部，造成機組內部損壞，為保障安全運行，在絕緣材料方面也要求采用耐濕熱性較好的材料。

2.4 溫差幅度較大

西藏地區區間高山眾多、幅員遼闊，較大的經緯差及海拔差造就了西藏地區溫差浮動很大。以那曲地區為例，所在的藏北高原地區全年氣候干冷，晝夜溫差大，無絕對無霜期，為典型的亞寒帶氣候區。若在該地區開展風能開發利用，其顯著的晝夜溫差大極易引起發電機繞組表面冷凝解凍頻繁，對電廠安全運行和人員安全都有重大威脅，建議在發電機內部安裝電加熱器、干燥器等設備解決此類問題。

2.5 雷暴現象高發

根據中國氣象局對雷暴的劃分標準，日喀則市聶拉木、山南市錯那縣、昌都市八宿，林芝市大部、阿里地區南部等屬于少雷暴區；日喀則市西南部、昌都市大部、阿里地區大部等屬于中雷暴區；日喀則市東部、山南市大部、那曲地區西部等屬于多雷暴區；那曲地區中東部，拉薩市及日喀則市大部，貢嘎、乃東、江孜等縣屬于高雷暴區。

參考德國地區有關數據，該國風電場每百臺機組年雷擊率約10%，雷擊引發風電機組故障占總故障率的25%。對風電機組損害最大的是峰值較低的雷電流，在風電機組未來的運行中，雷電流的存在有可能引發事故。

由于藏區可利用風能區對應范圍基本為中、高雷暴區，所以對雷暴區對機組選擇的影響是值得研究討論的。針對藏區雷暴高發現況，研究風力發電機組采取如何的防雷措施是十分必要的，而且在廠址選擇過程中也應給予高度重視。

3 西藏地區風能資源開發方式的選擇

3.1 與太陽能等能源形式結合發電的可行性

通過上述分析，可以清楚地看到西藏地區風能可利用區與太陽能資源豐富、較豐富區域重疊率較高。在可預見的未來，同時開發西藏太陽能資源與風能資源是可以考慮的，而且這兩種能源在藏區也具有較好的互補性。采取風光互補發電的模式，不但克服了太陽能光伏發電造價高、受時段限制的缺點，而且補充了部分時段的風能不足，充分利用場地和資源，同時提高了發電穩定性和可靠性。

3.2 開發模式的選擇

西藏地區整體人口密度很低，區域內多為游牧地區，廣大農牧民散布于高山峽谷之中，彼此距離較遠，整體用電量相對不大。若開展大型長距離輸配電，其投資和損耗都很大，售電量小。針對游牧區實現并網發電還無必要，針對西藏特殊的地理環境，在開發西藏地區時應優先考慮分布式風力發電技術的應用，以保障牧區居民用電需求。

隨著西藏地區經濟發展和電網結構的進一步優化，風電作為“西電東送”接續基地的能源補充形式是可行的，但西藏無風能資源豐富區，開發大型風力發電機組，實現并網發電的可行性很小。現階段，應考慮在人口較集中的地區及電力外送通道附近開發建設風電場，以電力外送形式輸送電能，充分開發西藏地區的風能、太陽能、水能等清潔能源。

綜上所述，現階段在西藏地區推廣中小型風力發電較為可行（中型風力發電機型一般指額定功率100kW以下的機型，小型風力發電機型一般指額定功率10kW以下的機型），具有一定的發展前景，中長期階段可考慮風光能源互補形式的電能開發建設模式。

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