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采用《新型环保风力发电系统技术》提高城乡空气质量及人民健康水平、解决治理雾霾天气问题

来源:中国能源信息网 时间:2020-04-13 18:08:12浏览量:3

《新型环保风力发电系统技术》提高城乡空气质量减少雾霾天气发生新型风电产业项目综述

(一)城乡地面风速降低和雾霾形成原因分析

大气污染雾霾天气形成的主要原因是污染物排放加不利空气流动的静稳态天气的综合。地面风流动的速度低,是静稳态逆温天气形成的主要原因。近年来地面风流动速度逐年降低的主要原因是:气象因素和人为因素。本文扣除气象因素主要介绍人为因素。人为因素导致地面风流动速度降低的主要原因:一是在城市内部发展建设过程中没有科学考虑建筑物阻挡对风流动降低风速的影响,城市里大楼越建越高,阻挡和摩擦作用使风能流经过城市区域时有明显减弱。楼房的形状、高度、朝向布置和对应城市主导风向的排布,都可以使风流经过城区时有不同级别明显的衰减。二是在城市以外区域自2011年至目前国内普遍安装的风力发电机组均为“大风轮低塔筒”(风轮直径121-146米;塔筒高度80-90米;机组功率2.0-2.5MW)风电机组设计。这种设计没有科学考虑对风场下游风速衰减的影响和对近地面弱风资源的保护。大风轮低塔筒风力发电机组的运行通过捕获近地面风资源发电的同时,也降低了近地面风速。我国目前风电累计装机容量达到2.21亿千瓦,按5万千瓦/单位风电场计算折合目前风电累计装机4500个风力发电场,按单台风机功率2MW计算目前我国安装1亿1千台风电机组。风电装机总量是世界上第一个超过2亿千瓦的国家,陆上风电装机已连续10年保持全球第一。在这样大规模高速度发展的风力发电场建设和风力发电机组安装中没有科学考虑风能经过风力发电场下游风速衰减后到达多远距离可以得到恢复的设计问题,是造成城市内外地面风速逐年降低的第二个因素。

地面风流动速度过低,是静稳态逆温天气形成的条件,导致雾霾出现几天或很长时间不易散去,这是造成雾霾天气严重主要的客观条件。城市地面风速过低,大气稳定度高加之城市热岛效应等因素,导致垂直方向出现逆温层。逆温层好比一个锅盖盖在城市上空,这种高空中的气温比低空中的气温更高称为逆温现象。大气低空中空气水平流动无动能,垂直运动受到限制,空气中悬浮微颗粒和病毒菌被阻滞在低空和近地面难以向高空飘散,污染物不能及时迅速流动上升高空稀释,以至长时间循环在人群生活高度空间进行传播和吸附,导致雾霾天气出现,雾霾长时间滞留在低空中被人群吸附,极大地危害着人们的生活健康。

大气污染雾霾天气形成的主要原因是污染源排放加不利空气流动的静稳态天气的综合。地面风流动的速度低,是静稳态逆温天气形成的主要原因。静稳态逆温天气使得工业污染源、生活污染源、病毒污染源排放的污染物不能迅速流动上升到高空稀释,近些年我国加大措施和力度对各种污染源排放的治理,城乡空气质量有很大程度的提高。但是在注重减少人为影响地面风(空气)流动速度因素方面有待要进一步关注和开展。

(二)提高城乡空气质量,解决治理雾霾天气实际有效性措施

目前雾霾治理的主要方式是对污染物减低排放。本文对污染源排放治理不做过多赘述,主要分析说明如何提高近地面风速,促使污染物得到迅速稀释扩散。

大气中的污染物稀释扩散一般有三种方式即,水平扩散、垂直扩散和雨雪沉降。水平扩散主要依据风速,如果风速够大,那么污染物就可以很快被吹散。垂直扩散,一般情况下,大气温度的分布上冷下暖。近地面气团温度高,质量轻,就会向上飘,这样就会出现大气的垂直运动。这种具有垂直交换作用的大气层叫做混合层。如果混合层高度高,意味着它的垂直运动空间大,有利于污染物向高空扩散;反之,则说明垂直扩散能力差。雾霾频发的另一原因就是因为大气层结稳定,城市地区混合层顶高度低,抑制了污染物病毒菌的垂直扩散。雨雪沉降等自然现象不做解释。

由于城市内建筑物和城市外大风轮低塔筒风电机组及风电场不科学的设计,造成城市内外地面流动风速降低,空气混合层顶高度降低,导致各种污染物不能及时扩散,形成雾霾。因此,治理雾霾最实际有效的措施是对污染物减低排放和提高近地面风流动速度两项的结合,要使污染物不仅能够迅速被水平扩散更要被垂直扩散。

提高近地面风速的有效措施是使近地面风加速流动。在城市外围科学设置《疏导型风力发电场》建设和安装《大功率高塔筒空气循环复合功能风力发电机组》。针对城市近郊或者城市市区,可以安装《环保大功率高塔筒空气循环复合功能风力发电机组》和《环保空气循环风电净化塔》的方式提高城市地面风流动速度。针对城区内影响风流动速度的高耸建筑物已经形成,当下无法改变的情况。主要采取进行环保风资源测评分析,疏通城市主导风道,同时结合缓解城市热岛效应措施和污染物排放治理等体系等,采用规划城市通风廊道安装《环保大功率高塔筒空气循环复合功能风力发电机组》和设计建设《环保空气循环风电净化塔》的方式,为城市创建“穿堂风”,促进城市空气内外、上下交换,增加城市地面风流动速度。提高城乡近地面风速最有效最简便的措施是建设治理雾霾特殊布局《新型环保风力发电系统技术》的风电场和安装专项《大功率高塔筒空气循环复合功能风力发电机组》。把城市通风评价做为未来规划或重建改建项目的首要原则条件来考虑。

二、《新型环保风力发电系统技术》治理雾霾的技术介绍

(一)特殊布局的风电场设计核心技术:疏通风道

地面风流动速度是大气对污染物和病毒菌类自然稀释能力的一个重要因素,风的方向、速度、湍流强度等对稀释污染气体和病毒菌类有重要影响。当风速大于每秒4米/s时,可以使污染空气被移动吹散,从而起到自然稀释作用。当风速低于3米/s时仅能使污染空气移动但不容易被吹散。当风速等于零(静风)时污染空气水平方向的扩散将趋于停止。所以,风速的大小决定了污染物和病毒菌类冲淡稀释作用的大小。一般情况下随着风速的增大,单位时间内污染源排放出来的污染物被很快地拉长,这时混入的大气量越多,污染浓度越小。因此在其它条件不变的情况下,污染物浓度与风速成反比。

物质的运动是有规律的,水流有水道,风流有风道。风的可压缩性比较水的可压缩性强大几倍,疏通风道是关键环节。目前不科学的风力发电场布局建设肆意围堵了风道。采用科学的风力发电场设计技术和风电机组的安装方式可最大限度减少风力发电场下游风速衰减值并缩短恢复距离。科学合理布局的《疏导型风力发电场》设计将达到治理雾霾的效果,其特点是护风养风提高地面风能流动速度,保护弱风资源的存续和强度,不搜取低弱风资源进行风力发电。给风能流动留出通道,对弱风资源采取护风养风措施,延续风能资源的存续强度。改变了以往风电场建设对风能资源围堵式的机组布置方式和“大风轮低塔筒风机”强风弱风一同围堵掠夺式搜扑风资源的做法。

(二)治理雾霾的风电机组设计技术核心:提高近地面风速

专项风电机组是针对治理雾霾设计的《大功率高塔筒空气循环净化复合功能风力发电机组》。主要特点是大功率、高塔筒、空气循环净化。大功率设计降低逆温层出现概率,污染物被迅速垂直扩散。高塔筒设计仅捕获160米以上高空风资源,不影响近地面弱风资源畅通,不影响污染物水平扩散。空气循环净化设计充分利用塔筒通风道内净化功能,使通过塔筒的空气被净化,达到有效治理雾霾的目的。

《大功率高塔筒空气循环净化复合功能风力发电机组》利用风力发电塔筒对风电机组承载支撑的作用,借助风力发电机组的结构高差,利用对流层空气上升与下降的规律,对塔筒内管道进行专项设计,增加间断性机翼形螺旋背的旋转,从而使管道中心负压高速形成气旋,达到上下空气迅速流动目的。设计保证风力发电功能和空气循环功能同时运行配置,不论有风发电或无风不发电状态,塔筒风循环净化功能都正常运行,对提高风力发电场地表面风流动速有明显效果。

(三)设计原理说明

建设《疏导型风力发电场》安装《环保大功率高塔筒空气循环复合功能风力发电机组》和安装《环保空气循环风电净化塔》的作用不是将高浓度的污染物移至远处,而是使下风向10-20公里及更长范围内的污染空气浓度都降低到环保规定值以内。这种通过塔筒管道加速上下高差气流的循环流动,既可以实现城市内地面风流动速度加快也能实现风力发电场下游地表面空气流动速度迅速恢复,也可使城市内外地表层污染空气迅速升高扩散起到淡化和稀释作用。可使城市内外地面风流动速度达到规定值以内,各种污染物病毒菌浓度值都降低到环保规定值以内,实现了大气环境雾霾天气治理的效果。

三、《新型环保风力发电系统技术》特点及基本参数对比

(一)《新型环保风力发电系统技术》核心技术特点。

1、疏导型通风道

大规模的风能发电影响区域的风气候,大型风电场增加了地表面粗糙度和拖拽力,改变了局地区域的动能收支,所以评估大风场的尾流长度对规划相邻风场之间的必要距离是必不可少的。风场分析模型的起点为风力发电机的比质量动量的总体消耗M与风力发电机的拖拽力Ct和轮毂高度h的风速Uh成正比:M=CtUh2。在风力发电场设计方面,采用疏导型风电场设计技术对风力发电机组进行选址布局,给主导风资源留出通道,使风电场下游近地表面风速降低在可控范围之内,下游流动风速在指定距离(5-10公里)以内有效恢复到风电场前的来风速度指标。同时,对风电场下游风速衰减程度以及风资源恢复距离给予设计评估,实现风力发电场下游风速衰减到可以控制并具有快速恢复的能力。

仅利用高空风资源

风能资源不仅只是风力发电动能资源,更是民生资源,保护低弱风资源就是保护民生健康水平。目前国内普遍安装的“大风轮低塔筒”风力发电机组采取强风弱风一起围捕,重点捕获弱风资源的做法破坏了风能资源的流动特性,改变了局地风资源流通路径,透支了区域风能动量收支,是不合理的风资源开发方式。

《新型环保风力发电系统技术》采用安装《环保空气循环复合功能风力发电机组》系统对风切变在0.1-0.15及以上的风资源,采用高塔架安装,搜取160-200米的高空风资源。风力发电机组单位KW风轮捕风面积控制4.5m2/kw以下,不搜取年平均风速5.5m/s以下风功率密180w/㎡以下低弱风资源,对低弱风资源进行养风护风措施,保持低弱风资源的存续和再生。

3、迅速恢复衰减风力

《新型环保风力发电系统技术》遵循塔架高度与风轮直径比≥1.0~1.3之间的结构设计原则设计风力发电机组,实现大功率(3-5MW)高塔架风力发电机组的安装。《环保空气循环复合功能风力发电机组》系统,因为单机功率增大,同容量风电场安装台数减少和风轮中心高度增高等因素实现了环保风力发电功能。我们把风场拖拽系数C1定义为风场面积、风轮面积0.25×3.14×D2、风力发电机数量N和风力发电机的拖拽系数Ct的方程:C1=按公式分别计算两个5万千瓦电场。分别按功率2.5MW;风轮直径146米;轮毂高度90米;风机20台和功率4MW;风轮直径140米;轮毂高度165米;风机12台,得出两个风场用地面积比结果是8:3.96。可以说明同容量风场安装“大功率高塔筒风机”,可以节约土地占用50%的用地面积。同时对两个风场风轮阻挡风面积比较:2.5MW风场是4MW风场的1.74倍。对风电场下游风速衰减的控制和恢复能力比较:在风速5-6m/s以内的条件下,2.5MW风场对风速衰减无恢复能力,4MW风场在6-8公里距离内风速衰减可以得到恢复。

减少逆温层

《环保空气循环复合功能风力发电机组》系统针对我国秋冬季节静稳态天气出现频次多;逆温层低,低空空气中气溶胶难以向高空流动,在重度工业污染源、生活污染源、病毒污染源排放的污染物流动速度慢,重度雾霾污染天气出现时,结合利用风力发电机组结构的高差,利用对流层空气上升与下降规律,通过塔筒管道高度把地面区域空气向60-200米高空输送,加速上下高差气流的循环流动,可以实现风力发电机组周向地面空气快速流动,可以对地表层污染空气升高扩散起到驱赶淡化作用,实现减少各种污染物和雾霾等有害气体对人们身体健康和对自然界的损害。

你好!以上部分介绍供参考。如果需要进一步了解项目内容,可以联系交流。

华小平

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