山地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)光影影響防護(hù)距離的探討

王 寧，程 磊

(大連理工加華環(huán)境科技有限公司，遼寧 大連116024)

1 引言

在全球氣候變化的大背景下，“低碳經(jīng)濟(jì)”、“低碳技術(shù)”日益受到世界各國(guó)的關(guān)注。其中，風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源高效利用的一種，能夠有效的控制溫室氣體排放。由于風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中沒(méi)有廢氣、廢水和廢渣等污染物的產(chǎn)生，因此對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在光影上。而山地地區(qū)地勢(shì)高，產(chǎn)生的光影較長(zhǎng)，能夠?qū)Φ偷貏?shì)居民產(chǎn)生一定影響。本文以大連市瓦房店風(fēng)電場(chǎng)為例，通過(guò)對(duì)光影影響距離的計(jì)算和分析，提出可行的光影防護(hù)距離，為防止光影擾民現(xiàn)象和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供依據(jù)。

2 風(fēng)機(jī)光影影響的概念

風(fēng)電機(jī)組不停轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片，在陽(yáng)光入射方向下，投射到居民住宅的玻璃窗戶上，即可產(chǎn)生一種閃爍的光影，通常被稱之為光影影響。以風(fēng)電機(jī)組為中心，東西方向?yàn)檩S，處于北緯地區(qū)，軸北側(cè)的居民有可能受到風(fēng)電機(jī)組的光影影響。風(fēng)電機(jī)組的光影影響范圍取決于太陽(yáng)高度角的大小，太陽(yáng)高度角越大，風(fēng)機(jī)的影子越短；太陽(yáng)高度角越小，風(fēng)機(jī)的影子越長(zhǎng)。光影使人產(chǎn)生心煩、眩暈的癥狀，影響居民的正常生活。

3 國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)光影影響防護(hù)距離的預(yù)測(cè)方法

風(fēng)機(jī)光影長(zhǎng)度L為風(fēng)機(jī)光影影響防護(hù)距離，以風(fēng)機(jī)與最近民宅距離是否滿足作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。具體計(jì)算公式如下[1，2]：

L=D/tgh0

(1)

D=D0+D1

(2)

h0=arcsin[sinφsinσ+cosφcosα]

(3)

σ=arcsin[0.006918-0.39912cosθ0+0.070257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.00148sin3θ0]

(4)

α=(15t+λ-300)

(5)

式中，D為風(fēng)機(jī)有效高度，m；D0為風(fēng)機(jī)高度，m；D1為風(fēng)機(jī)所在位置與附近光影敏感點(diǎn)間的地面高差，m；h0為太陽(yáng)高度角，deg；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋琩eg；σ為太陽(yáng)傾角，deg；θ0為360dn/364，deg；dn為一年中日期序數(shù)，0,1,2,…，364(取冬至日)；t為進(jìn)行觀測(cè)時(shí)的北京時(shí)間；λ為當(dāng)?shù)亟?jīng)度。

早期，風(fēng)電場(chǎng)光影防護(hù)距離計(jì)算時(shí)一律利用冬至日正午時(shí)刻風(fēng)機(jī)的影長(zhǎng)作為光影影響的防護(hù)距離，并且用風(fēng)機(jī)與最近民宅的距離來(lái)衡量風(fēng)機(jī)設(shè)置是否滿足防護(hù)距離的要求。但是，北緯地區(qū)，冬至日的太陽(yáng)高度角是一年中最小的一天，但正午時(shí)刻，卻是該日太陽(yáng)高度角最大的時(shí)刻。因此利用冬至日正午時(shí)刻風(fēng)機(jī)的影響作為光影影響的防護(hù)距離是不科學(xué)的。

而該公式中，已經(jīng)充分考慮了這一問(wèn)題，即根據(jù)擬預(yù)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)緯度，選擇冬至日合適的時(shí)段作為影響時(shí)段，計(jì)算風(fēng)機(jī)光影防護(hù)距離。

4 國(guó)外風(fēng)機(jī)光影影響距離的計(jì)算

目前，國(guó)外主要采用幾何學(xué)模型并結(jié)合一些數(shù)據(jù)，例如太陽(yáng)路徑、地形變化和風(fēng)機(jī)渦輪的詳細(xì)資料，包括轉(zhuǎn)子和轂的長(zhǎng)度，來(lái)計(jì)算給定位置影子閃爍的每年小時(shí)數(shù)。在模型中，風(fēng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子被模擬為一個(gè)圓盤，并且假定它與太陽(yáng)渦輪向量處于最壞的情形(如垂直)。而且，將太陽(yáng)假定為光源點(diǎn)[3]。

考慮到實(shí)際的氣象條件(云量水平)、風(fēng)機(jī)渦輪偏離到最壞情況下的極端性、大氣中噴霧劑(濕度、灰塵、煙等等)的數(shù)量以及防護(hù)植物存在等情況，使用模型計(jì)算出的影子閃爍總是過(guò)高估計(jì)了特定位置影子閃爍的每年小時(shí)數(shù)。

圖1給出了典型的影子閃爍圖。影子閃爍幾何學(xué)地圖以蝴蝶狀為特征，并伴隨了4個(gè)突出葉狀。這4個(gè)突出葉狀相當(dāng)于夏至日和冬至日早晨和傍晚太陽(yáng)的南北移動(dòng)。象征渦輪位置北部的葉狀，是由夏至日引起的。南側(cè)的葉狀是由冬至日引起的。西側(cè)的葉狀是由早晨太陽(yáng)引起的，而東部的葉狀是由傍晚太陽(yáng)引起的。

圖1 典型的影子閃爍

5 以大連市瓦房店風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)為例

5.1 項(xiàng)目概況

瓦房店風(fēng)力發(fā)電廠位于瓦房店市駝山鄉(xiāng)西北面的渤海沿岸及向內(nèi)陸延伸且地勢(shì)突起的山丘上，海岸線長(zhǎng)約35 km，高程約0～300 m，總面積約100 km2，總裝機(jī)容量300 MW，安裝1500 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)200臺(tái)。

5.2 光影影響分析

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)地形條件估算光影防護(hù)距離(風(fēng)機(jī)高105 m)[4]。采用國(guó)內(nèi)公式，選取典型相對(duì)高度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)電機(jī)組光影防護(hù)距離計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可見，由于規(guī)劃區(qū)域山地的地勢(shì)特點(diǎn)，使得相對(duì)高度較高，計(jì)算出的光影防護(hù)距離在290～1922 m之間。若嚴(yán)格按照該公式計(jì)算結(jié)果確定防護(hù)距離的話，最大1922 m的距離嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，隨著距離的增加，光影影響強(qiáng)度也逐漸降低，進(jìn)入到人們可接受的范圍。而從圖1也可以看出，風(fēng)機(jī)與居民區(qū)的相對(duì)位置，也是確定光影影響的主要因素。因此，如何確定一個(gè)合理可行的光影防護(hù)距離就顯得尤為棘手。

6 結(jié)果與討論

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)光影影響防護(hù)距離并不能僅僅依據(jù)公式的計(jì)算結(jié)果，還要綜合考慮風(fēng)電機(jī)組與居民區(qū)的相對(duì)位置、氣象條件、光影出現(xiàn)時(shí)間等綜合因素。

目前，南澳大利亞政府確定的光影防護(hù)距離最大值為500 m，也有國(guó)家選取了更為保守的1000 m[5,6]。而我國(guó)尚未對(duì)光影影響防護(hù)距離提出具體的規(guī)定和要求。因此，在進(jìn)行具體工程項(xiàng)目時(shí)，可采取公式計(jì)算結(jié)果并參考相關(guān)限值，確定合理可行的光影防護(hù)距離。在有效利用可再生資源的同時(shí)，也不阻礙地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

ResearchonPreventionDistanceofShadowFlickerInfluenceinMountainRegionWindPowerField

Wang Ning, Cheng Lei

(DUTCan-SinoEnvironmentalTechnologyCo.Ltd.,Dalian,Liaoning, 116024,China)

Abstract: As a kind of renewable energy sources, people pay more attention to the wind power projects. But, the location of wind turbine will affect the residents in shadow flicker.Especially when the wind turbine is built in the mountain region,the light and shadow will be longer.Until now, our country has not yet done the relevant specifications, and little information can be referenced.This paper preliminary discusses the calculation of shadow flicker at home and abroad.Then, taking Dalian Wafangdian wind power field as an example, the reasonably prevention distance of shadow flicker is determined, which provides a reference for the relevant departments.

Keywords: mountain; wind power; shadow flicker; prevention distance