西藏地区高原风电机组及开发方式选择

孟正

摘要：西藏地区的风力资源较丰富，随着社会经济发展，当地电力供应需求进一步增大，开发西藏风能资源是解决途径之一。文章分析了西藏高原风电资源情况，阐述了西藏地区风电开发的可行性，说明了高原特殊环境对风力发电机组的特殊要求，提出了西藏地区风电开发方式选择。

关键词：西藏地区；高原风电机组；风电开发；风力资源；电力供应；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）31-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.033

西藏地区位于中国西南边陲，区域内的高山深谷相间，素有“世界屋脊”之称，受海拔高度、长时间日照等因素，西藏高原形成了独特的高原气候。

西藏风能总储量约为773TW。现阶段，西藏能源已经基本建成以水力能源为主，可再生能源和油气互补能源的可持续发展综合能源体系。随着今后社会经济产业技术的进一步发展，西藏地区也将建设成为“西电东送”接续基地。风能作为清洁能源具有低碳、环保和可持续性，随着社会经济发展和产业技术的发展，其在西藏地区开发利用的前景十分广阔。

1 西藏地区风电资源概况

1.1 平均风速分布情况

西藏地区具有大风持续时间长、风能分布地区广等的特点，年平均大风日可达100～150d，最多可以达到200d，比同纬度中国东部地区（5～25d）多3～4倍。其中，全区风速高值地区为冈底斯山脉以及喜马拉雅山脉之间的山谷地带东段地区及西藏高原北部地区，年平均风速为4.0～4.3m/s；中值地区为帕里、普兰、错那及洛隆等区域，年平均风速为3.0～3.9m/s；低值地区为藏区其他区域，年平均风速仅为1.4～2.9m/s，其中昌都和芒康地区的年平均风速仅仅1.2m/s。

1.2 风能分区

风能分区的地理位置分布总体与当地平均风速相对应进行划分，按照全国风能资源区划标准，西藏整体没有风能资源丰富区及风能资源较丰富区，主要为风能资源可利用区。风能资源可利用区主要包括的地区有自那曲地区那曲县到阿里地区革吉县、念青唐古拉山以北（年风能功率密度约在53～122W/m2之间）、喜马拉雅山北麓以及昌都地区的洛隆县（年风能功率密度在56～75W/m2之间）。除上述地区以外的藏区都可认定为风能资源贫乏区。

2 西藏地区气候对机组的特殊要求

2.1 空气密度较低对设备的要求

大气空气密度随海拔高度的上升相应下降十分明显，如海平面标准大气压为1013.2百帕斯卡（760mm水银柱），而西藏地区年均气压在652.5百帕斯卡以下（760mm水银柱），不足标准大气压的65%，空气密度在0.57～0.89kg/m3之间。此外，由于西藏地区平均海拔高，在同等温度条件下，相应的空气密度呈现显著降低特点。

从表1中可得，相对空气密度和相对大气压力都在随着海拔高度升高相应减少。以风能资源可利用区的那曲地区（平均海拔4507m计）为例，空气密度为0.731kg/m3，大气压力589百帕斯卡对应的相对空气密度降低27%，相对大气压力降低了约41%。

此外，根据某风电场历年统计数据可以得知：一旦空气密度高于或低于年平均空气密度设计值，风电机组输出功率都会明显低于设计值，出现风能资源利用损失情况，而且随着实际空气密度与年平均空气密度的差值越大，相应的风电机组输出功率损失越多。由上述情况，我们可以明确地得出发电功率受到空气密度的严重影响，且与空气密度成比例关系。

可根据发电机组的功率公式：

（P为功率、η为转换效率、ρ为空气密度、ν为水平风速、L为叶片长度）

得出在转换效率、水平风速、叶片长度一定下，发电机效率与空气密度成正比。

现阶段，若将相同参数的风轮机叶轮直接应用于西藏地区高原风场，在相同风速下获得功率偏低，相对于内地最大功率损失十分明显，较低的空气密度使得风机获取提取能量的利用率下降，所以在高原风力发电机研发设计时，必须考虑海拔高度变化对空气密度的影响，在机组设计过程中针对风力发电机应开展如加长叶片半径、提高转换效率等研究。

2.2 长时间日照辐射

西藏地区风能可利用区基本位于西藏西部及北部，这部分地区相应的太阳能资源也很丰富，全年日照时间可达3200～3300h。目前市场上的机组机舱外壳基本为金属外壳，由于西藏地区空气密度偏低，长时间、大辐射量的太阳直射机舱，很容易使舱内空气温度升高，在进行发电机组的选用时，首先考虑采用耐高温绝缘材料及机组内部通风要求。

2.3 冬季长时间低温雨雪天气

西藏地区普遍为高寒地区，风能可利用区普遍存在雪、雾、雨、露等天气现象。

由于遇到覆冰时，风轮机浆叶的重量分布变得不均匀，产生风轮运行不平衡现象，对风场安全运行、电力系统安全运行产生了较大的危害，同时对设备也易造成严重损害，尤其是风向仪、风速仪和风速平衡装置等精密仪器，一旦覆冰情况发生，将造成机组控制不便、无法根据现场情况调整运行状态等。

覆冰状态下工作状况十分不利于定桨距风力发电机组运行，高原型风机应多采用变桨距风力发电机组或主动失速型定桨距风力发电机组，这些类型的机组在控制系统上更加适合恶劣的气候，也可考虑采用桨叶内部加装加温装置、实时监控除冰作业等方式保障机组安全运行。此外，针对发电机位于室外的机舱，雨、雾、沙等杂质仍有很大的可能进入机舱内部，造成机组内部损坏，为保障安全运行，在绝缘材料方面也要求采用耐湿热性较好的材料。

2.4 温差幅度较大

西藏地区区间高山众多、幅员辽阔，较大的经纬差及海拔差造就了西藏地区温差浮动很大。以那曲地区为例，所在的藏北高原地区全年气候干冷，昼夜温差大，无绝对无霜期，为典型的亚寒带气候区。若在该地区开展风能开发利用，其显著的昼夜温差大极易引起发电机绕组表面冷凝解冻频繁，对电厂安全运行和人员安全都有重大威胁，建议在发电机内部安装电加热器、干燥器等设备解决此类问题。

2.5 雷暴现象高发

根据中国气象局对雷暴的划分标准，日喀则市聂拉木、山南市错那县、昌都市八宿，林芝市大部、阿里地区南部等属于少雷暴区；日喀则市西南部、昌都市大部、阿里地区大部等属于中雷暴区；日喀则市东部、山南市大部、那曲地区西部等属于多雷暴区；那曲地区中东部，拉萨市及日喀则市大部，贡嘎、乃东、江孜等县属于高雷暴区。

参考德国地区有关数据，该国风电场每百台机组年雷击率约10%，雷击引发风电机组故障占总故障率的25%。对风电机组损害最大的是峰值较低的雷电流，在风电机组未来的运行中，雷电流的存在有可能引发事故。

由于藏区可利用风能区对应范围基本为中、高雷暴区，所以对雷暴区对机组选择的影响是值得研究讨论的。针对藏区雷暴高发现况，研究风力发电机组采取如何的防雷措施是十分必要的，而且在厂址选择过程中也应给予高度重视。

3 西藏地区风能资源开发方式的选择

3.1 与太阳能等能源形式结合发电的可行性

通过上述分析，可以清楚地看到西藏地区风能可利用区与太阳能资源丰富、较丰富区域重叠率较高。在可预见的未来，同时开发西藏太阳能资源与风能资源是可以考虑的，而且这两种能源在藏区也具有较好的互补性。采取风光互补发电的模式，不但克服了太阳能光伏发电造价高、受时段限制的缺点，而且补充了部分时段的风能不足，充分利用场地和资源，同时提高了发电稳定性和可靠性。

3.2 开发模式的选择

西藏地区整体人口密度很低，区域内多为游牧地区，广大农牧民散布于高山峡谷之中，彼此距离较远，整体用电量相对不大。若开展大型长距离输配电，其投资和损耗都很大，售电量小。针对游牧区实现并网发电还无必要，针对西藏特殊的地理环境，在开发西藏地区时应优先考虑分布式风力发电技术的应用，以保障牧区居民用电需求。

随着西藏地区经济发展和电网结构的进一步优化，风电作为“西电东送”接续基地的能源补充形式是可行的，但西藏无风能资源丰富区，开发大型风力发电机组，实现并网发电的可行性很小。现阶段，应考虑在人口较集中的地区及电力外送通道附近开发建设风电场，以电力外送形式输送电能，充分开发西藏地区的风能、太阳能、水能等清洁能源。

综上所述，现阶段在西藏地区推广中小型风力发电较为可行（中型风力发电机型一般指额定功率100kW以下的机型，小型风力发电机型一般指额定功率10kW以下的机型），具有一定的发展前景，中长期阶段可考虑风光能源互补形式的电能开发建设模式。

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