《基于风电技术的果园用电设计》
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摘 要：针对以往风力发电技术多应用于内陆和海上发电,以兼具陆地和海上因素的钦州绿宇水果种植基地为例,采用合理的用电设计应用于果园,目的是按照风力发电机的发电量,输送电线损耗的能量,以及用电特点,从全局出发,统筹兼顾,尽可能在损耗能量最小情况下,最大化利用电能,实现节能减排,降低果园经营成本.根据果园复杂地形、风力大小,合理选择风机安放地点及其类型,并根据用电器分布情况,计算每个用电器所需耗电量.通过数学统计分析测风数据,并利用所测数据计算出风功率密度,从而对果园风能资源进行评估.
关键词：果园;用电计算;风能
1 绪论
1.1 研究背景
广西钦州市南临北部湾,西北多为丘陵地带,属于亚热带向热带过度性质海洋季风气候区,受海洋与内陆大气团影响,季风环流明显,拥有丰富的风力资源.犀牛角河塘村果园地理环境特殊,近海且为丘陵地带,该地区冬季风力最大,秋季次之,全年东北风最多,其次为西南风,风能资源丰富.据了解当地果农及居民用电均来自国家电网,而果园存在用电支出较大、用电不方便等问题,合理利用果园风能资源,建设风电场将风能转换为电能,一方面能够提高能源的利用率、减少果园的用电支出进而提高果农生产收入,另一方面有利于提高当地人民的生活质量,带动地区经济发展,也响应了当前国家提出的“十一五”国家风电发展规划政策.
1.2 广西风力发电现状
广西风能资源开发较晚,位于资源县的金紫山风电场为全区最早建设的风电场.2011年正式并网发电,年并网发电量约9500万千瓦时.“十二五”期间广西风资源得以正式开发,并且取得了一定成绩.2017年,广西全区并网风电装机容量达109.8万千瓦,取得了重大突破.2018年12月广西壮族自治区风力发电量产量为4.4亿千瓦时,同比增长41.3%;2018年3—12月广西累计风力发电量产量为38.2亿千瓦时.未来全区还会有更多风能被开发利用,为我们供应更多的电能.
2 钦州风况
钦州属亚热带海洋季风气候,高温多雨,干湿季节分明,日照强度大,雷暴多发,季风盛行.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,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.
3 钦州市钦南区犀牛角河塘村果园现场调研概括
3.1 项目概述
本项目从果园用电情况入手,将风能转化为电能从而为果园提供电能,达到节能减排,降低果园成本.为当地带来更多经济效益和社会效益,为其他风力发电运用于果园提供方法和参考.
3.2 自然环境
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′,是典型的丘陵地带,占地约100亩.果园隶属南亚热带气候,具有亚热带向热带过度性质的海洋季风特点,日照强度大、时间长,台风、雷暴天气多发,年平均气温21℃—23℃.果园属低山区,表面粗糙度在0.02—0.3之间,山体基本连续,山顶高度海拔高度为20.00m—35.00m之间,山脊（顶）稍缓.坡脚边坡稍缓,坡度10°—20°,山坡较陡,坡度35°—50°,局部达30°.
3.3 果园用电分析
果园用电器：2.5kW抽水泵（型号：HFD-20）、7.5kW远程抽水机（型号：CH-120）、4kW管道离心泵（型号：ISG100-100A）、3kW抽肥泵（型号：2HP-20）.
果园正常情况月耗电250度左右,平均耗电52度.抽水泵、打药泵和管道离心泵耗能最多,抽肥泵能耗较低.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.
4 果园风能估算
4.1 风能概述
风能多少是评估一个地方能否建立风电场的重要依据.风能是指在单位时间内在某一面积上以一定速度自由流动的气流中获得的能量.即获得功率W等于（FV）*ρV22等于12ρFV3,它等于面积、速度、气流动压的乘积
,将风轮面积定为1平方米（F等于lm2）时,风能具有的功率为：W等于12ρv3（W/m2）.
4.2 风能估算
综合测风数据取A、B、C三点风速为6m/s、4m/s和5m/s,标准空气密度,粗糙度0.01m,风轮直径10m.现场测得风速都是离地1.5m高度左右的风速,根据风廓线公式u2u1等于ln（h2-d）-lnz0ln（h1-d）-lnz0,算得三点12m高度风速分别为9.23m/s、6.16m/s和7.70m/s.根据风能密度公式w等于12ρv3,算得三点在1m2内平均风能密度都在150W/m2以上,根据风能计算公式E等于12ρtsv3则可算得三地风能总量约为2.695×108J.
4.3 测风数据
4.3.1 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1.9m/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.
4.3.2 安装点B测风情况
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.
4.3.3 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.
5 风机安装点
合理选择风机安放位置可最大程度利用风能,减少各类材料的损耗,减少输电能耗损失.风机安装点可根据该果园的山区地形走势,再结合果园的用电器分布情况,合理的选择安装点.安装点A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,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.安装点B位于山顶,因实地测量时山顶处有高大遮挡物,风速测量值较小,但平均最大最小瞬时风速均在2.5m/s以上,能达到风机最小启动值,若是风力发电机修建较高,风能必定也会更大.安装点C地势开阔位于山顶平地,周围树木都已砍伐光,没有高大树木遮挡,有良好的风能条件.
6 風力发电机的选择
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.为了使风速更加准确,根据2016-2018年钦州市犀牛脚盐场自动气象观测站实测气象资料统计得到近三年犀牛脚盐场年平均风速值.
选择合适的风机是果园减少能耗的关键,果园每月耗电约1000度.四个主要用电器都离安装点B较近,根据就近原则拟定方案,在A、B、C三点各建立风力发电机,分别发电并配合电网补充果园用电器的电能消耗.结合果园风况特征及当前风电机组的制造水平、技术成熟度、目前的供货能力及风电机组负载能力,我们选择江苏乃尔风力发电机NE—20k,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.
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.
参考文献：
[1]文贤馗,肖永,林呈辉,徐梅梅.贵州高原山区空气密度对风电功率影响研究[J].中国电力,2014,47（07）：101-103.
指导教师：周小珠,北部湾大学.
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风电技术引用文献:
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