基于WindPRO軟件的風電場光影影響精確評估方法研究

嚴 天,李永亮,2,楊 昆,郭 斌,2

(1.浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風力發電技術重點實驗室，浙江 杭州 310000)

1 引言

為踐行“2060碳中和”承諾，我國加快了由傳統火電向清潔能源的轉變進程。風電作為國家戰略性新興產業之一，在產業政策引導和市場需求驅動的雙重作用下快速發展。截至2020年，我國風電發電量達到4665億kW·h，總計裝機容量達281.5 GW，年新增71.67 GW，占全國電源新增裝機容量的37.5%[1]。隨著風機投入運行，與風場伴生的，對人居環境的影響逐漸顯現，其中比較突出的是噪聲和光影問題。長期處于風機不斷閃爍變化的光影范圍內可能會對居民的視覺和神經系統造成不良影響。如被投訴，風場的建設進程和運營將受到制約，使業主蒙受經濟損失。因此，有必要在選址環評階段提前介入，得到相對準確的預測結果及評估建議，規避后續風險。

本文以我國不同地形風電場為例，通過對光影影響進行計算和分析，分析了多緯度、多地形風電場光影效應的特點，并比較了多種窗型受光影影響的效果，從風場選址、附近民居建設等角度分別提出解決方案，以期為同類項目提供參考和借鑒。

2 風機光影傳統計算方法

由于地球的自轉，一天之內，陽光入射的方向與地平面的夾角不斷變化，這個夾角即為太陽高度角。當這個角度不等于90°時，陽光會將物體投射在地面形成陰影，陰影隨風機運行而旋轉，在投影面上形成閃爍的效果，這一現象稱為風機的光影影響，投射陰影的距離稱為光影影響范圍。傳統計算陰影范圍的方法如下：

(1)太陽高度角計算[2]：

h0=arcsin[sinφsinσ+cosφcosα]

(1)

σ=arcsin[0.006918-0.39912cosθ0+0.079257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.00148sin3θ0]

(2)

α=15t+λ-300

(3)

式(1)～(3)中，h0為太陽高度角(°)，φ為當地緯度(°)，σ為太陽傾角(°)，θ0為360n/364(°)，n為一年中的第n天，n=0,1,2,…,364，t為進行觀測時的北京時間，λ為當地經度。

(2)投影距離計算：

L=D/tanh0

(4)

式(4)中，D為風機高度，L即為風機光影影響距離。具體過程如圖1所示。

圖1 陽光經風機投射形成陰影示意

從定義來說，光影影響的范圍取決于太陽高度角的大小，高度角越大，風機的投影越短；角度越小，投影越長[3]。同時，高度角小，太陽輻射強度也小，風機光影影響越弱。

3 光影影響判定及傳統評估方法局限

目前，我國尚未出臺明確標準判定光影影響，國際上僅德國有詳細的指導標準[4]。該標準定義，太陽入射角應至少高于3°，且受體應至少有20%的陽光被風機葉片遮擋，才可認為形成光影。對光影影響效果，標準中具體規定：

(1)在最壞情況(假設從日出到日落太陽一直能照到窗口，風機一直在運行，風輪始終朝著與臨近物體正交方向)下，每年光影最大有效影響時間不得超過30 h，每日最大影響時間不得超過30 min。

(2)如果風機可自動調節，則實際影響時間應限制在每年8 h之內。

該標準從時間尺度上評估光影影響，基本覆蓋了風機的運行情況。而傳統方法是從距離尺度得到的計算結果。以往計算光影距離時，學者主要采用以下兩種方法：①根據冬至日太陽高度角計算陰影范圍。太陽的高度角在冬至日全天達到一年中最小值。早期，計算我國大部分地區風電場光影防護距離時，多數學者選擇冬至日9：00～15：00作為風機光影影響時段[5～7]進行計算，對應結果為高度角最小時對應的極限最遠距離。在此安全距離下，風機不會對附近居民區產生任何影響；②通過實測，并結合噪聲距離給出經驗值。一般認為，對常規尺寸風機，低地丘陵、山地地貌風場可設置500 m距離帶，即可排除噪聲、光影影響[8]。

顯然，從距離尺度評估結果是較為保守的。根據該結果，房屋處受光影影響的小時數為0。而受大氣特性、山體遮擋等多因素影響，實際光影在達到地面或房屋前很可能已衰減并消失[9]，按公式計算的結果會高估影響距離。其次，考慮到天氣與時段的關系，在我國全年多雨的南部地區，陰天率較高，實際日照不滿足從日出到日落的理想情況[10]。

隨著風機與居民區的進一步接近，該保守值將無法滿足將來的風場規劃需求。對風資源差異較大的山地項目來說，土地資源受多因素限制，如參考保守距離，將會造成機組可選地理空間的大程度縮減，無法發揮當地風資源的最大潛能，使風電場經濟效益下降。對光影影響計算亟待找到一種基于當日氣象條件、當地地形地貌等多因素考慮的，更為精確地評估判定方法。

4 風機光影影響評估方法

4.1 軟件介紹

本項目使用的分析軟件為WindPRO。WindPRO是丹麥EMD公司開發的一款用戶可根據需要自主選擇模塊的風電場規劃設計軟件。該軟件的光影模塊具有高度可視化功能，以圖形方式設置風機和房屋，并對給定位置的潛在陰影進行模擬計算，輸出影響范圍的可視化結果。

4.2 光影模塊計算原理及模型

首先，根據給定的地理位置，可得到機組處以日為單位的日出日落時間。再根據機組尺寸參數和太陽高度角參數，以1 min為步長，計算各機組每日的光影變化規律和影響時段，進一步通過統計得到全年累計值。WindPRO中默認：一般風機2 km以外為陰影可見的最短距離。

考慮到村落房屋密集分布的特性，計算模型把成片房屋簡化為一個方形窗戶受體。本模型假設：地理位置相距較近(房屋之間最遠橫跨距離為100 m)、同一朝向的房屋，窗戶采光情況一致。陰影受體的參數設置遵從該片區域房屋的典型窗戶特征：窗戶距地面1.0 m，寬、高均為1.5 m，窗口斜度為90°(窗戶平面與地面垂直)；朝向的選擇結合Google Earth上房屋布置判定。該計算模型需要輸入：風機的位置和尺寸信息，具體表現為坐標、輪轂高度和轉子直徑；房屋的位置和尺寸信息，具體體現為坐標、窗戶的尺寸及其角度，包括朝向(相對于正南方旋轉的角度)和傾斜(窗戶平面與水平面的夾角)等；項目地理位置(經緯度)；時區和夏令時信息等。

5 案例分析

5.1 項目概況

本文以真實項目為基礎，選取不同緯度的典型平原、丘陵、山地地貌項目分別進行研究。各項目中機位與居民區相對位置如圖2所示。

項目A位于黑龍江省雞西市境內，屬于我國高緯度帶。整場海拔落差在100 m內，屬于丘陵地貌。機位遵循風速最優原則錯落布置，附近以農田為主，居民區較少。

項目B選址地位于河南省商丘市境內，屬于我國中緯度帶。擬規劃6臺機位。項目地形平坦，機位間海拔無顯著差異，海拔41～45 m。當地農田遍布，村落群居特征明顯，與風機十分接近；加之無山峰遮擋，光影影響預計較為嚴重。

項目C位于江西省瑞昌市境內一處山脊上，緯度較低。該項目山勢沿東西走向，整體海拔呈東低西高趨勢，在350～600 m之間。機位均布置于山頂，排布較為密集，海拔高差最大值為300 m。山腳下低洼處有成片居民區，主要位于山地北側，與機位最近距離為300～400 m。

三項目均采用統一機型，機型參數如表1。

圖2 機位及居民區分布

表1 機型參數

項目機位與居民區的距離分為按500 m、800 m、1000 m劃分，并統計居民區個數如表2所示。參考2020年氣象數據作為評估條件。

表2 機組與村莊的距離

5.2 計算結果

計算得到最壞情況下每年總陰影小時數分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，由于緯度不同，各項目的陰影小時數等值線圈分布呈現顯著差異。對于項目B這類平原地貌，光影范圍呈較強的規律性，等值線圈接近中心對稱式的“蝶狀”分布，在0～30 h等值線之間存在較長的過渡帶，約長1.6 km。對于項目A這類丘陵地貌，海拔起伏小，陰影等值線圈為“蝶狀”的變形，過渡帶較短，約長0.16 km。高緯度地區太陽高度角較小，同時年日照時長較短，因而陰影影響范圍也較小。隨著緯度的降低，范圍將不斷擴大。另外，兩項目地形海拔起伏均較小，陽光投射無山體遮擋，因此陰影等值線范圍呈現相似規律。而對于項目C這類海拔差較大的山地地形，等值線圈變形更為嚴重，分布范圍整體向北偏移。從數值上，山體北側的30 h等值線距機位的距離最遠可達1.6 km，而南側的等值線分布與機位最遠距離不超過1.0 km，北側范圍顯著大于南側。這是由于，項目地處北緯地區，隨著地球自轉，太陽總是從機位南部的上方將其投射向地面，因此位于風電機組北側的區域受到光影影響會更為顯著。

綜上，由于我國處于北緯地區，北側居民區受光影影響不可避免，而山地風場的北側陰影范圍顯著大于南側，因此建議在山地風場選址階段，即選擇山體北側民居更少的區域。此外，上述3個項目中，陰影30 h等值線距風機的東西向距離范圍約寬0.9～1.5 km，無顯著差異。

上述結果出于地形、緯度差異角度進行考慮，而實際情況中，房屋朝向也可能有所差異。以項目C為例，各朝向不同的房屋受影響情況如圖4所示，代表陰影受體的傘狀圖標的“傘柄”朝向與房屋朝向一致。計算的年、日影響時間在圖5中展示，黑點對應房屋與正南方向順時針夾角值。依據窗戶朝向，可將機位分為兩部分：一為T19～T26附近民居，房屋朝向均朝正南方向，對應圖5中A～E區域；二為T1～T12附近民居，基本不朝正南方向，對應圖5中F～K區域。選擇的11個點位中完全符合德標的僅G、K兩片居民區。而實際上，當地真實日照情況應弱于最壞工況，即日照時長更短。可以推知，真實情況下，B、F區域小時數也可滿足德標。A～E區域年平均陰影小時數比F～K高56h。這與光的入射方向和強度變化相關。當陽光與窗戶存在偏角時，由風機投射到窗口的陰影面積需乘以該夾角的正弦值。隨著日漸西斜，光強減弱，陰影面積進一步減少，故“斜窗”受光影影響更小。

圖3 每年陰影小時數等值線分布

圖4 每年陰影小時數分布范圍

圖5 光影影響小時數計算結果

進一步探究窗戶尺寸、離地高度、朝向及與地面角度等一系列因素對光影效果的影響。選擇一虛擬受體A，設置不同工況，得到對應每年陰影小時數如表3，工況間差異比較如圖6所示。結合數據和線圖結果分析，得出結論：①窗面沿正南向西偏離的角度越大，年陰影小時數、年陰影天數越小。當房屋朝向已經固定，則可考慮將光影算法與自動控制系統相結合[11～13]，控制風機轉子面偏角，使風機自動轉向，既弱化了光影影響，同時也能保證經濟效益;②光影影響程度隨著窗戶斜度的區間變化而變化。當窗戶斜度在60～90°之間時，年陰影小時數無變化，保持為最小值；30～60°之間，年陰影小時數和天數隨斜度減小而增大，當斜度達到0～30°時，年陰影小時數提升10.3%，且保持不變。因此，建議風機附近的民居窗型設計避免“天窗”或斜度低于30°;③改變窗戶尺寸、增高窗戶離地高度等措施對減少光影效應幾乎無作用。

6 結論

針對傳統工程算法不準確、分析結果無法用于控制等弊端，本文提出了一種基于WindPRO軟件的精確分析光影影響的方法，在時間尺度評估了多緯度、多地形風電場光影效應的特點，并比較了多種窗型受光影影響的效果，進一步得到解決方案。主要得到如下結論：

(1)傳統計算方法計算得到的光影距離大幅度高于實際值，有必要從時間尺度上進行詳細評估。

表3 不同工況下陰影小時數對比

圖6 不同窗型對應年陰影小時數

(2)隨著緯度的增加，影響小時數在0～30 h間的光影閃變范圍隨之增大。

(3)以風機為中心，年陰影小時數在30 h及以上的影響范圍，東西縱向約寬0.9～1.5 km，且不受緯度影響。

(4)對于北緯地區的山地風電場，位于機組北側的區域受到光影影響比南面更為顯著，建議選擇山體北側民居較少的區域建場。

(5)窗面自南向西偏轉的角度越大，年陰影影響時間越少。可考慮將光影算法與自動控制系統相結合，控制風機轉子面偏角，使風機自動轉向，使得獲得較高經濟性時陰影效應較小。

(6)窗戶斜度越趨向于0，陰影小時數越大，建議風機附近的民居窗型設計避免“天窗”或斜度低于30°。

(7)改變窗戶尺寸、增高窗戶離地高度等措施對減少光影效應幾乎無影響。

有時，風機槳葉轉動帶來的陰影閃爍被認為是一種視覺污染，但當該景觀出現在荒漠戈壁時，卻可以增加視覺美感，成為絕佳風景。大量案例證明，風電場的設計，不應該僅僅是在經濟之優與環境之美間的單向選擇，還需要詳細的現場調查、真實情況的收集，運用得當方法精確分析，達到共贏。