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摘 要:风力发电具有公认的环保优势,但风力发电工程对局部生态环境及自然景观等影响也日益受到人们的关注,主要体现在风轮机的视觉污染(或自然景观问题)、噪音、鸟类安全及电磁干扰等方面.风电场对环境的影响比单台风轮机对环境更大.风电场建成后再来消除或减轻不良影响将会付出高昂的代价.因此,在风电场规划、设计阶段,就应该充分考虑风力发电工程可能对环境造成的各种不利影响,并采取必要措施将其降至可接受的程度.
关 键 词:风力发电;环境;视觉污染;噪音;鸟类安全;电磁干扰风能是一种古老而新生的能源.自20世纪70年代能源危机以来,人们对风能再次产生了极大的兴趣.由于石油、煤等化石燃料价格昂贵、储量有限、燃烧过程中产生的废气对环境造成极大的威胁,许多国家正加紧开发风能这种技术上最为成熟的可再生能源. 1996年以后全球风电年均增长率超过30%,成为发展最快的清洁电源,欧洲风能协会和绿色和平组织对未来世界风力发电市场的情景描述是: 2020年风电达到世界电力总量12%.
风力发电的环保效益是有目共睹的,很难想象还有比风力发电对环境更友好的发电方式:它不会污染空气或水源,不会排放有毒或有害物质,对公众安全没有威胁.然而,风力发电工程对局部生态环境及自然景观的影响日益受到人们的关注,主要体现在风轮机的视觉污染(或自然景观问题)、噪音、鸟类安全及电磁干扰等.
由于风能是一种能量密度相对较低的能源形式,为了获得足够的风能,通常需要在较大的范围内布置数量众多的风轮机,从而形成风电场.对环境的影响风电场比单台风轮机更大,一旦风电场已经建成,要消除或减轻某些不良影响的代价将是很高昂的.因此,在风电场规划、设计阶段,就应该充分考虑风力发电工程可能对环境造成的各种不利影响,并采取必要措施将其降至可接受的程度.
1 风力发电工程的视觉污染风力发电工程对环境的主要影响之一是视觉污染,风轮机视觉影响涉及到:景观的类型、风轮机的布置、风轮机数量、风轮机尺寸、风轮机设计(叶片数量及其颜色)等.就景观欣赏而言,人们的审美情趣趋向于栩栩如生的自然景观.工业区和大规模农业区人口较少,因此,它们是建造风电场比较理想的地方.在工业区建造的风轮机通常会被人们看作是现有高大工业结构的一部分,如果位置选择得比较合适,不仅可以降低景观的丑陋程度,而且还可以与现有工业结构形成一个协调的整体.而在自然风光秀丽或小型风景区建造风轮机,则往往会招致人们的反对.
离岸区域远离人们的视线,视觉影响较小,离陆地越远,建造风电场就越自由.因此,海上风力发电不仅风速高、风速波动相对较小,而且还有视觉污染小的优势.近岸区域是视觉上的高敏感地带,它是从陆地到海上的过渡区域.无论从海上还是从岸上近观,都会给人造成比较大的视觉侵扰.若选择在山区建造风轮机,为了获得较好的风况,需将风轮机布置在山头或山脊,因此,人们从很远的地方就可以看到风轮机.由于山区地形很大,可以将多台风轮机建在一块儿,形成风电场.为了避免风轮机看起来在景观中占据统治地位,风轮机之间应保持一定的距离.
风轮机的布置模式通常有:直线布置、成群布置和形成风电场等方式.将数台风轮机按直线等距布置是一种常见的方式,多行布置则可能让人产生混乱、不协调的感觉.成群布置是指一小组风轮机布置在一起,风电场是指10台以上的风轮机集中布置.如果景观中没有明显的轮廓线,最好将风轮机成群布置,以便从各个方向看到的风电场都是一个模样.
风轮机之间的距离应该是均匀的,规范、一致才能给人以较舒适的感觉.景观中风轮机的数量越多,对人的视觉影响也越大.尤其是当风轮机不是构成一个风电场,而是散布于某个区域时,这种影响就相当大.因此,只要有可能,就要尽量减少风轮机的数量.就风轮机的大小而言,大型风轮机对景观的影响要比小型风轮机大,但这并不意味着小型风轮机更可取.要想相同的发电能力,风轮机越小,所需的风轮机数量就越多.此外,有些景观实际上更适合于布置大型风轮机,以便与景观规模相适应.例如,较大的平地及离岸区域就比较适合布置直径50~60m的大型风轮机.
在考虑风轮机对视觉的影响时,风轮机的设计是一个很重要的方面.风轮机塔架(或塔筒)与轮毂之间、轮毂与叶片之间应该协调一致,垂直的塔架(或塔筒)与地面水平线之间的过渡也是一个关键的区域.风轮机叶片数量也许是一个更为重要问题,根据国外风力发电工程的经验,三叶片风轮机比两叶片风轮机让人感觉更平衡一些.
风轮机的颜色选择对景观具有决定性的影响,通常需要根据景观特点及该地区的一般天气状况来选择风轮机的颜色.最常见的风轮机颜色有:白色、灰白色和淡蓝色.从近距离来看,人们通常感觉白色风轮机非常漂亮,并且它是按自然的方式来反射太20电力科学与技术学报2008年6月阳光的.由于白色象征着纯洁,因此,在首次引入风轮机的地区,应首选白色.然而,白色也是一种非常显眼的颜色,相比之下,灰白色、灰色、淡蓝色在景观中就不那么显眼了,这些颜色通常有一种伪装效果.此外,灰色和灰白色还有传达工业印象的功能,使之看上去更具技术上的朴素性.总之,在选择风轮机颜色时,必须十分小心谨慎.
在风电场选址时,风轮机应该使景观的文化价值更丰富,而不是使之受损.虽然风电场明显是一个人造结构,但它应该对景观有附加价值.如果风轮机故障不断,公众就会觉得风电场一无是处,只不过是在浪费视觉资源罢了,因而更难容忍风轮机对景观的侵扰.当风轮机看上去不停地转动时,人们就会认为它们是有用的、有益的.如果风轮机能为某个目的提供服务,人们才能更快地原谅这种视觉侵扰,唯有风轮机不停地转动才能做到这一点.
2 风力发电工程的噪音污染事实上,任何具有活动部件的东西都会产生噪音,风轮机也不例外.运行的风轮机所产生的噪音包括:机械部分噪音(源于轮毂中的活动部件)、气动部分噪音(源于风轮机叶片与周围空气之间的相互作用),它们都是风速的函数 机械噪音主要由发电机和齿轮箱产生,后者是主要的噪音源,其噪音水平取决于齿轮的制造水平.噪音向环境的传递既可以通过风,也可以通过风轮机结构的其它部分(包括塔架).因此,可以通过降低齿轮箱本身的噪音来消除风轮机噪音,也可以通过将噪音源与结构的其它部分隔离来消除噪音.
通过仔细地设计、制造叶片,可以降低气动噪音.总噪音是机械噪音与气动噪音之和.在风轮机附近,可以听到叶片旋转时的嗖嗖声和轮毂中活动部件的嗡嗡声.距离风轮机越远,噪音也就越低.风轮机产生的噪音可以用它的声音功率水平来表示.单台风轮机的声音功率水平通常在90~100dB(A)之间.距离风轮机40 m远处的声压水平为50~60 dB(A),即相当于普通说话的水平.在500m远处的房屋内,当风从风轮机吹响房屋时,等值风压为25~35 dB(A). 10台风轮机在相同条件下产生的噪音水平为35~45 dB(A).如果风朝相反的方向吹,噪音水平将降至10 dB(A).
在规划风电场时,应仔细考虑附近房屋外面能听到的所有噪音.而在户内,即使窗户敞开着,噪音水平也低得多.通常可以通过预测当风从风轮机朝这些房屋吹时可能产生的噪音来估计潜在的噪音影响,然后将其与没有风电场运行时该地区所存在的环境噪音相比较.风轮机不会在“切入风速”之下运行,典型风电场的数据表明:通常有30%的时间风速在该“切入风速”之下.这意味着风电场运行时间大约为70%,该数值用于计算风轮机的年等值噪音水平.
国外的推荐值是:将风轮机的的噪音保持在现有傍晚或夜间5 dB(A)的背景噪音水平.这与大多数噪音源控制的标准相符,但不包括运输、某些矿井牵引及建筑工地(通常它们允许有更高的噪音水平).为了计算风电场周围的噪音水平Lobs,并计及环境噪音Lback,可以使用国际能源署专家组推荐的方程式首先计算噪音传播,然后计算来自各种噪音源的噪音水平.最简单的噪音传播模型假定声音从一个点无衰减或无妨碍地传播开来.在某些情况下这是一个合理的假设,特别是在寻找来自单一声音源在某一给定点的最大噪音时.借助于这种方法,距离声音源r处的噪音水平Lp为Lp=Lw-10lg(2πr2). (1)式中 Lw为来自风轮机的噪音(dB(A)).
在小于2 kM的距离范围内,可以忽略由于空气或大地吸收等效应所导致的误差,尤其是考虑到此时是有意地对风轮机产生的噪音作适当的过估计.对所有N台风轮机求和,即可求出总效应Lp,total:Lp,total=10lg∑Ni=1(10Lp, i/10). (2)最后,用相同的方法求得风轮机噪音水平Lp,total与背景噪音水平Lback之和为Lobs=10lg(10Lp,total/10+10Lback/10). (3)由上式可以很容易地确定噪音水平低于40 dB(A)的距离(从风电场开始)与风轮机台数之间的关系,见图1.由图可知,对于6台风轮机的风电场,噪音水平低于40 dB(A)的距离大约是600 m.孙春顺,等:风力发电工程对环境的影响图1 40 dB(A)噪音水平下风轮机台数与距离的关系风力发电工程对鸟类的影响野生动物保护组织密切关注着风能开发,害怕伤及到鸟类.这种伤害既可能来自鸟与风轮机的碰撞,也可能来自于风电场对附近鸟类的繁殖、栖息和觅食的干扰
当鸟飞过风电场时,可能撞在塔架或风轮机叶片上造成伤亡.这种碰撞可能发生在鸟类的本地迁徙活动中(如往来于休息地与觅食地、饮水地之间等),也可能发生在季节性迁徙途中.通常,前一种迁徙每天都会在低空中发生,而后一种迁徙每年只发生两次.在迁徙活动密集的地区,风险更大,这些地区位于海岸地带或大湖区,它们恰恰具有最好的风力发电条件.对鸟类繁殖、栖息和觅食等影响虽不至于对鸟本身造成伤亡,但可能影响鸟群的数量.影响的机理是:一旦建造了风轮机或风电场,该地带对鸟的吸引力便降低了.换言之,鸟可能趋向于避开风轮机附近的区域.这种影响可以用风电场附近鸟的密度降低来衡量.这意味着随风轮机数量的增加,适宜于鸟生活的地方可能减少.很显然,这种影响对鸟类密集地区是很严重的,尤其是对珍稀鸟类.
影响的程度随地点而变化.对于靠近海岸的山脊海岸线,风电场应尽量后移,以避开滑翔的鸟所经过的海岸线为了比较准确地估计风电场对鸟类的影响,人们进行了许多研究,包括使用雷达来对风电场附近的鸟进行监视.研究得到的初步结论是:风电场对鸟类没有显着的干扰,但在鸟类繁殖和迁徙的重要场所,应尽量减少风电场开发,尤其是在鸟类所需的栖息地和迁徙路线上,不应建造风电场.因此,应尽早在风能开发的规划阶段就勘查出这些可能对鸟类造成影响的敏感区域.
4 风力发电工程的电磁干扰任何大型移动结构都会产生电磁干扰,当信号强度很大时,就会对风电场规划形成实实在在的约束.产生干扰的机理非常复杂.简单地说,风轮机叶片可以反射电磁波,因此,附近的接收装置既可以接收到直接信号,也可以接收到反射信号.由于反射信号既是一个滞后信号(由于信号传输路径的长度差),又是一个移相的信号(由于叶片的转动).前者对调幅(AM)无线电系统的影响更大,而后者主要影响调频(FM)无线电系统.具有强反射能力的金属材料所造成的电磁干扰问题很突出,而对于具有强吸收能力的木质材料,问题轻微得多.对电磁波具有部分折射性的玻璃强化塑料则介于二者之间.
许多通信频率都会受到风轮机潜在的影响.在低频段,波长远大于风轮机的特征尺寸时,风轮机的几何总参数才具有重要影响.在高频段,波长小于或与风轮机部件具有相同的数量级时,叶片的详细几何形状也有相当重要的影响.当波长大于风轮机总高度的4倍以上时,通信系统就基本上不受影响了.
可能受到风轮机干扰的通信类型有:电视广播、微波通信、甚高频全向无线电信标VOR(用于飞机导航)及仪表引导着陆系统.在确定风轮机对无线电通信造成的干扰时,需要辨识出相关风轮机的参数(风轮机台数、直径、叶片横截面、转速等)及相关无线电系统参数(发射器和接收器的空间位置,载波频率、偏振等).在风电场规划阶段,就应避开这样的地方.
5 风力发电工程对公众安全的影响虽然风轮机对人类造成事故的概率极低,且尚无风轮机造成大量公众受伤的报道,但也有一些潜在的公众安全问题值得注意.与风轮机运行有关的最严重的事故类型是叶片斥开———叶片的一部分或整个叶片,甚至整个转子在运行过程中斥开.最糟糕的情形是:在风速超过22电力科学与技术学报 2008年6月“切出风速”时风轮机失去控制,接着叶片发生结构故障,叶片在高速旋转时发生斥开,这将导致叶片断片飞出700~800 m.应该强调的是:这种情况很难发生,在风轮机没有失去控制的情况下,叶片断片飞出的距离甚至无法达到附近的房屋.正因为如此,在进行风电场规划时,风轮机叶片斥开问题并不是一个需要重点考虑的问题.
业内的一致观点是:风轮机的安全威胁非常低,在距离风轮机210 m的范围内,基本上与雷击所造成的死亡率(千万分之一)差不多.距离更远,危险性则更低.就大部分时间而言,人们不会在距离运行着的风轮机210m以内的范围活动.因此,风轮机叶片本身故障的危险性的确很低.风轮机结冰不仅会影响风轮机本身的运行,也会引起安全问题,从风轮机上脱落下来的冰块可能会伤到人.在冰害地区,对一台完全无人值班运行的风轮机而言,安全距离为200~250 m[11, 12].
建造离岸风轮机时,必须采取预防措施来防止船只撞上风轮机塔架.尽管还没有这类事故的报道,但这种可能性是存在的,而且后果是致命的.安装灯光来警告晚上航行的船只是一个很好的预防措施,但由于鸟类具有趋光性,因此,灯光应安装在风电场附近,而不是风轮机上.其它安全问题还包括风轮机对高速公路、雷达系统及低空飞行的飞机的影响.风轮机不应对高速公路上驾车的司机造成不适当的分心,尤其要避免让司机突然看到风轮机.这些问题可与当地交通部门、民用和军用飞行管理部门协商.
6 结论风力发电是近年来增长速度最快的能源,风力发电具有不会污染空气或水源,不会排放有毒或有害物质,对公众安全没有威胁等环境优势.风力发电工程对局部生态环境及自然景观的影响主要体现在风轮机的视觉污染、噪音、鸟类安全及电磁干扰等.风轮机对人们视觉的影响存在一个视觉同化的过程,通过风电场的合理选址,并且能够有效地运行,人们就会逐渐接受风轮机的视觉侵扰.一般而言,风轮机产生的噪音并不大,尤其是当风电场建在荒山野岭或背景噪音很大的近岸、离岸地带时,其噪音远比交通运输、航空机场、矿井牵引及建筑工地低.对鸟类安全的影响及电磁干扰等问题可以通过选择合适的风电场地点从而绕开这些敏感地带.若在风电场规划、设计阶段充分考虑了风力发电工程可能对环境造成的各种不利影响,并采取必要措施,就可将其降至可接受的程度.
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