孟正

摘要：西藏地區(qū)的風(fēng)力資源較豐富，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，當(dāng)?shù)仉娏?yīng)需求進(jìn)一步增大，開(kāi)發(fā)西藏風(fēng)能資源是解決途徑之一。文章分析了西藏高原風(fēng)電資源情況，闡述了西藏地區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的可行性，說(shuō)明了高原特殊環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊要求，提出了西藏地區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)方式選擇。

關(guān)鍵詞：西藏地區(qū)；高原風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電開(kāi)發(fā)；風(fēng)力資源；電力供應(yīng)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

西藏地區(qū)位于中國(guó)西南邊陲，區(qū)域內(nèi)的高山深谷相間，素有“世界屋脊”之稱，受海拔高度、長(zhǎng)時(shí)間日照等因素，西藏高原形成了獨(dú)特的高原氣候。

西藏風(fēng)能總儲(chǔ)量約為773TW。現(xiàn)階段，西藏能源已經(jīng)基本建成以水力能源為主，可再生能源和油氣互補(bǔ)能源的可持續(xù)發(fā)展綜合能源體系。隨著今后社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，西藏地區(qū)也將建設(shè)成為“西電東送”接續(xù)基地。風(fēng)能作為清潔能源具有低碳、環(huán)保和可持續(xù)性，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，其在西藏地區(qū)開(kāi)發(fā)利用的前景十分廣闊。

1 西藏地區(qū)風(fēng)電資源概況

1.1 平均風(fēng)速分布情況

西藏地區(qū)具有大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)能分布地區(qū)廣等的特點(diǎn)，年平均大風(fēng)日可達(dá)100～150d，最多可以達(dá)到200d，比同緯度中國(guó)東部地區(qū)（5～25d）多3～4倍。其中，全區(qū)風(fēng)速高值地區(qū)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(qū)及西藏高原北部地區(qū)，年平均風(fēng)速為4.0～4.3m/s；中值地區(qū)為帕里、普蘭、錯(cuò)那及洛隆等區(qū)域，年平均風(fēng)速為3.0～3.9m/s；低值地區(qū)為藏區(qū)其他區(qū)域，年平均風(fēng)速僅為1.4～2.9m/s，其中昌都和芒康地區(qū)的年平均風(fēng)速僅僅1.2m/s。

1.2 風(fēng)能分區(qū)

風(fēng)能分區(qū)的地理位置分布總體與當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速相對(duì)應(yīng)進(jìn)行劃分，按照全國(guó)風(fēng)能資源區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，西藏整體沒(méi)有風(fēng)能資源豐富區(qū)及風(fēng)能資源較豐富區(qū)，主要為風(fēng)能資源可利用區(qū)。風(fēng)能資源可利用區(qū)主要包括的地區(qū)有自那曲地區(qū)那曲縣到阿里地區(qū)革吉縣、念青唐古拉山以北（年風(fēng)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(qū)的洛隆縣（年風(fēng)能功率密度在56～75W/m2之間）。除上述地區(qū)以外的藏區(qū)都可認(rèn)定為風(fēng)能資源貧乏區(qū)。

2 西藏地區(qū)氣候?qū)C(jī)組的特殊要求

2.1 空氣密度較低對(duì)設(shè)備的要求

大氣空氣密度隨海拔高度的上升相應(yīng)下降十分明顯，如海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1013.2百帕斯卡（760mm水銀柱），而西藏地區(qū)年均氣壓在652.5百帕斯卡以下（760mm水銀柱），不足標(biāo)準(zhǔn)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(qū)平均海拔高，在同等溫度條件下，相應(yīng)的空氣密度呈現(xiàn)顯著降低特點(diǎn)。

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

此外，根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得知：一旦空氣密度高于或低于年平均空氣密度設(shè)計(jì)值，風(fēng)電機(jī)組輸出功率都會(huì)明顯低于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)風(fēng)能資源利用損失情況，而且隨著實(shí)際空氣密度與年平均空氣密度的差值越大，相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失越多。由上述情況，我們可以明確地得出發(fā)電功率受到空氣密度的嚴(yán)重影響，且與空氣密度成比例關(guān)系。

可根據(jù)發(fā)電機(jī)組的功率公式：

（P為功率、η為轉(zhuǎn)換效率、ρ為空氣密度、ν為水平風(fēng)速、L為葉片長(zhǎng)度）

得出在轉(zhuǎn)換效率、水平風(fēng)速、葉片長(zhǎng)度一定下，發(fā)電機(jī)效率與空氣密度成正比。

現(xiàn)階段，若將相同參數(shù)的風(fēng)輪機(jī)葉輪直接應(yīng)用于西藏地區(qū)高原風(fēng)場(chǎng)，在相同風(fēng)速下獲得功率偏低，相對(duì)于內(nèi)地最大功率損失十分明顯，較低的空氣密度使得風(fēng)機(jī)獲取提取能量的利用率下降，所以在高原風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮海拔高度變化對(duì)空氣密度的影響，在機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)開(kāi)展如加長(zhǎng)葉片半徑、提高轉(zhuǎn)換效率等研究。

2.2 長(zhǎng)時(shí)間日照輻射

西藏地區(qū)風(fēng)能可利用區(qū)基本位于西藏西部及北部，這部分地區(qū)相應(yīng)的太陽(yáng)能資源也很豐富，全年日照時(shí)間可達(dá)3200～3300h。目前市場(chǎng)上的機(jī)組機(jī)艙外殼基本為金屬外殼，由于西藏地區(qū)空氣密度偏低，長(zhǎng)時(shí)間、大輻射量的太陽(yáng)直射機(jī)艙，很容易使艙內(nèi)空氣溫度升高，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的選用時(shí)，首先考慮采用耐高溫絕緣材料及機(jī)組內(nèi)部通風(fēng)要求。

2.3 冬季長(zhǎng)時(shí)間低溫雨雪天氣

西藏地區(qū)普遍為高寒地區(qū)，風(fēng)能可利用區(qū)普遍存在雪、霧、雨、露等天氣現(xiàn)象。

由于遇到覆冰時(shí)，風(fēng)輪機(jī)漿葉的重量分布變得不均勻，產(chǎn)生風(fēng)輪運(yùn)行不平衡現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)場(chǎng)安全運(yùn)行、電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生了較大的危害，同時(shí)對(duì)設(shè)備也易造成嚴(yán)重?fù)p害，尤其是風(fēng)向儀、風(fēng)速儀和風(fēng)速平衡裝置等精密儀器，一旦覆冰情況發(fā)生，將造成機(jī)組控制不便、無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)等。

覆冰狀態(tài)下工作狀況十分不利于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，高原型風(fēng)機(jī)應(yīng)多采用變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或主動(dòng)失速型定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這些類型的機(jī)組在控制系統(tǒng)上更加適合惡劣的氣候，也可考慮采用槳葉內(nèi)部加裝加溫裝置、實(shí)時(shí)監(jiān)控除冰作業(yè)等方式保障機(jī)組安全運(yùn)行。此外，針對(duì)發(fā)電機(jī)位于室外的機(jī)艙，雨、霧、沙等雜質(zhì)仍有很大的可能進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部，造成機(jī)組內(nèi)部損壞，為保障安全運(yùn)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(qū)區(qū)間高山眾多、幅員遼闊，較大的經(jīng)緯差及海拔差造就了西藏地區(qū)溫差浮動(dòng)很大。以那曲地區(qū)為例，所在的藏北高原地區(qū)全年氣候干冷，晝夜溫差大，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，為典型的亞寒帶氣候區(qū)。若在該地區(qū)開(kāi)展風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用，其顯著的晝夜溫差大極易引起發(fā)電機(jī)繞組表面冷凝解凍頻繁，對(duì)電廠安全運(yùn)行和人員安全都有重大威脅，建議在發(fā)電機(jī)內(nèi)部安裝電加熱器、干燥器等設(shè)備解決此類問(wèn)題。

2.5 雷暴現(xiàn)象高發(fā)

根據(jù)中國(guó)氣象局對(duì)雷暴的劃分標(biāo)準(zhǔn)，日喀則市聶拉木、山南市錯(cuò)那縣、昌都市八宿，林芝市大部、阿里地區(qū)南部等屬于少雷暴區(qū)；日喀則市西南部、昌都市大部、阿里地區(qū)大部等屬于中雷暴區(qū)；日喀則市東部、山南市大部、那曲地區(qū)西部等屬于多雷暴區(qū)；那曲地區(qū)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(qū)。

參考德國(guó)地區(qū)有關(guān)數(shù)據(jù)，該國(guó)風(fēng)電場(chǎng)每百臺(tái)機(jī)組年雷擊率約10%，雷擊引發(fā)風(fēng)電機(jī)組故障占總故障率的25%。對(duì)風(fēng)電機(jī)組損害最大的是峰值較低的雷電流，在風(fēng)電機(jī)組未來(lái)的運(yùn)行中，雷電流的存在有可能引發(fā)事故。

由于藏區(qū)可利用風(fēng)能區(qū)對(duì)應(yīng)范圍基本為中、高雷暴區(qū)，所以對(duì)雷暴區(qū)對(duì)機(jī)組選擇的影響是值得研究討論的。針對(duì)藏區(qū)雷暴高發(fā)現(xiàn)況，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采取如何的防雷措施是十分必要的，而且在廠址選擇過(guò)程中也應(yīng)給予高度重視。

3 西藏地區(qū)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)方式的選擇

3.1 與太陽(yáng)能等能源形式結(jié)合發(fā)電的可行性

通過(guò)上述分析，可以清楚地看到西藏地區(qū)風(fēng)能可利用區(qū)與太陽(yáng)能資源豐富、較豐富區(qū)域重疊率較高。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，同時(shí)開(kāi)發(fā)西藏太陽(yáng)能資源與風(fēng)能資源是可以考慮的，而且這兩種能源在藏區(qū)也具有較好的互補(bǔ)性。采取風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的模式，不但克服了太陽(yáng)能光伏發(fā)電造價(jià)高、受時(shí)段限制的缺點(diǎn)，而且補(bǔ)充了部分時(shí)段的風(fēng)能不足，充分利用場(chǎng)地和資源，同時(shí)提高了發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 開(kāi)發(fā)模式的選擇

西藏地區(qū)整體人口密度很低，區(qū)域內(nèi)多為游牧地區(qū)，廣大農(nóng)牧民散布于高山峽谷之中，彼此距離較遠(yuǎn)，整體用電量相對(duì)不大。若開(kāi)展大型長(zhǎng)距離輸配電，其投資和損耗都很大，售電量小。針對(duì)游牧區(qū)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電還無(wú)必要，針對(duì)西藏特殊的地理環(huán)境，在開(kāi)發(fā)西藏地區(qū)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮分布式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，以保障牧區(qū)居民用電需求。

隨著西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，風(fēng)電作為“西電東送”接續(xù)基地的能源補(bǔ)充形式是可行的，但西藏?zé)o風(fēng)能資源豐富區(qū)，開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的可行性很小?，F(xiàn)階段，應(yīng)考慮在人口較集中的地區(qū)及電力外送通道附近開(kāi)發(fā)建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，以電力外送形式輸送電能，充分開(kāi)發(fā)西藏地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等清潔能源。

綜上所述，現(xiàn)階段在西藏地區(qū)推廣中小型風(fēng)力發(fā)電較為可行（中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型一般指額定功率100kW以下的機(jī)型，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型一般指額定功率10kW以下的機(jī)型），具有一定的發(fā)展前景，中長(zhǎng)期階段可考慮風(fēng)光能源互補(bǔ)形式的電能開(kāi)發(fā)建設(shè)模式。

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