小型風力發電機應用分析及評價

章偉，鄧院昌，曾雪蘭

（中山大學工學院,廣東廣州510006）

近年來，我國風電產業呈現迅猛發展態勢，2010年我國風電裝機容量已躍居世界首位[1]。小型風電是風電產業的一項補充，大型風電產業不能完成或不能解決的問題要由小型風電產業來完成。中國疆域廣闊，風資源分布不均勻導致風電開發呈現出多樣性的特點：年平均風速6 m/s或以上的高風速區（如三北地區、沿海地區）多建立大型兆瓦級風力發電機組，但這些地區的風資源已趨飽和，海上風電短期內又難以大規模開發；年平均風速為3～5 m/s的低風速區，如安徽、湖北、福建和云南等省份，雖不具備發展大型風電的條件，卻是發展小型風電的沃土，因此推廣應用小型風力發電機組具有較大的市場空間。

國內外對小型風力發電機的研究較多，文獻[2-4]關注小型風力機在行業中的實際應用，文獻[5-6]研究了小型風力發電機的控制系統及控制策略，文獻[7-9]則針對經濟效益指標對小型風力機發電系統進行分析評價。

本文首先概述了小型風力機的定義及應用現狀，在其技術特點分析的基礎上，利用具體示例對大小型風力發電機的風資源標幺值、滿發小時數進行比較分析，并采用平均發電成本這一指標考查了小型風力機的經濟效益，對小型風力機的發展優勢進行了宏觀和具體量化的分析與評價。

1 小型風力機應用現狀

目前，美國依然是引領全球小型風能產業市場的大國，由于扶持政策到位，其小型風力發電市場份額占據了全球的49%，并且主要是分布式并網的應用；英國小型風電發展迅猛，它采取了許多政策來鼓勵小型風能產業的成長，通過一系列法規的重新修訂來促進在特定的地點安裝風力發電機組；德國頒布了《可再生能源法》，政府不僅提供補貼，并根據具體的風資源情況制定保護價及收購時間，通過政策擴大小型風力機的應用領域；俄羅斯成功研制出移動式小型風電機，可機動運輸、操作簡便，能滿足野外考察隊簡便、持續地獲得電能的需求；荷蘭地區也已有許多居民安裝家用小型風力發電機[10]。

2011年7月國家能源局出臺了關于分散式接入風電開發的重要通知[11]：要求各相關部門根據我國風能資源和電力系統運行的特點，在規模化開發大型風電場的同時，因地制宜、積極穩妥地探索分散式接入風電的開發模式，以分散方式多點接入低電壓配電系統的風電機組，暫不用為接入風電而新建變電站、所，不考慮升壓輸送風電，單機容量可視具體情況靈活使用。且加強低風速風電開發已被納入“十二五”風電發展規劃，這就為大力發展低電壓配電系統的小型風力發電機提供了良好契機。

據小型風力發電機發展報告統計，我國小型風力機的保有量超過14萬臺，成為世界上保有量最多的國家。圖1為我國小型風力機產量。

2004年之前小型風電機組以解決農村供電為主，主要服務對象為有風無電或缺電地區的廣大農、牧、漁民地區，產量的增長十分緩慢。自2004年以來，小型風力機產量開始以突飛猛進的速度增長，其應用出現了轉向，在內陸湖泊、近海養殖、高速公路檢測、海上交通管理、氣象臺站、電視臺轉播、微波通訊基地、城市路燈系統中得到了廣泛應用，并且逐漸進入工業領域。目前已有機組用于給油田的抽油機供電，以綠色電力代替了常規電力。

2 小型風力機技術特點

小型風力發電機體積小，重量輕，安裝維護方便，工作壽命長，價格低廉，在城市建設中有得天獨厚的優勢。得益于小型風力機制造技術的發展，風輪的最大功率系數已由初期的0.30左右提高到0.42左右，發電機效率從普通電機的0.50提高到現在的0.75以上，有些還可以達到0.82[12]。具體方面表現在：

1）風速區間。一些小型風力發電機組的啟動風速、額定風速低，從而延長了風力機的有效工作時間，提高了風能資源的應用范圍。對于一些風資源狀況不適合建立大型風力發電場的地方，小型風力發電機組仍然可以得到推廣應用，且不需要做復雜的風電場選址等前期工作。

2）土地利用。大型并網風力發電對場址的地域性有嚴格的要求，需要集中占用大片土地，并且場址一般離用戶較遠。而小型風力分布式發電在鄉鎮、村莊，城鄉結合部等大型風場無法利用的地方都能安裝，且單位占地面積少。無論是離網還是并網方式，一臺風力發電機組就能工作，在房前屋后農民自家地里就能安裝。用通俗的話說，“農民在地里不僅種莊稼，還可以種風力發電機”，有效地節約了土地。

3）電力傳輸。大風電場必須解決上網電力的傳輸問題，而小型風力發電機由于就地就近在用戶側上低壓電網，不需要復雜的電網接入控制系統，不需要輸配電系統，對電網接入幾乎沒有特殊的要求，而且大部分的電力就地消費，不存在電網輸送和電力調度問題。

4）分布并網。小型風力發電機的分布式并網具有很多優點。可就近就地分散供電，進入和退出電網靈活，不需要電網的遠距離輸送，有利于改善電力系統的負荷平衡，并可降低線路損耗，起調峰作用。

小型風力機根據應用場合的不同分為離網型和并網型風力發電機。離網型風力發電機在無電網或并網難的地區可得到相應的應用，它功率較小，需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風力機發電系統。風力機發出的電量用蓄電池儲存起來，可直接用于供給直流負載；對于需要交流電的負載，則只需在蓄電池與負載之間加裝逆變器[13]；并網系統也相對大型風電場的簡單，它由數臺中小型風力機并聯，通過三相整流橋管并入直流母線，經并網逆變器的三相交流輸出端接到電網。它能自動控制電網與風力發電機間的能源合理匹配。圖2為小型風力機的離網和并網系統圖。

圖1 我國小型風力發電機產量Fig.1 Production of small wind turbines in China

圖2 離網和并網系統圖Fig.2 Off-grid and on-grid system diagrams

3 風資源利用

為評價小型風力機風資源利用能力，本節選用大小2種風力發電機進行對比。850 kW大型風力機，其風輪直徑為52 m，切入風速4 m/s，額定風速20 m/s，重量（不含塔架）為5700 kg；1.5 kW小型風力機風輪直徑為3.2 m，切入風速3 m/s，額定風速10 m/s，重量（不含塔架）為350 kg。為了便于研究不同風力機在切入風速與額定風速之間的出力變化規律，現引入功率標幺值的概念，即機組實際輸出功率與其額定功率的比值。圖3為2種風力發電機的功率標幺值變化。

圖3 2種風力機功率標幺值Fig.3 Power per-unit of two kinds of wind turbines

由圖3可知，在低風速區間，小型風力機對風資源比較敏感，且切入風速低，風資源利用效率比大型風力機高。這對于低風速地區有很好的應用潛力。

以汕尾市海豐縣2010年1月至2010年12月某測風站點30 m和50 m高測風數據為例，對大、小型風力發電機的年發電量進行計算。由于大、小風力機的塔架安裝高度不同，故在計算時根據不同類型風力機選用不同高度的風速。本文大型風力機選50 m高風速值，年平均風速為4.2 m/s；小型風力機選30 m高風速值，年平均風速為3.6 m/s。進行年發電量計算時，相應的風速不作分布擬合，根據國際IEA組織推薦的風頻理論比恩計算法，在風頻分布理論計算時，把風速的間隔定為1 m/s，按風速間隔的歸屬區來劃分區域，風速在某一時間內的平均值落在哪個區間，則該區間的小時數累加值加1。區間的風速用中值表示來統計風速小時數，再直接利用風力機的測量功率值，將風速區間的統計頻數與對應的風力機功率的乘積求和得出年發電量值。表1為相應的發電量統計結果。計算公式為：式中，w表示年發電量；Ci表示風速落在第i風速區間的小時數；p（vi）表示風力機對應風速區間的功率值；n表示風速區間。

根據發電量統計結果，對這2種類型的風力發電機進行滿發小時數分析。滿發小時數計算公式如下：

表1 發電量統計Tab.1 Electricity statistics

式中，N表示滿發小時數；w表示年發電量；pe表示額定功率。

計算后得知1.5 kW風力機的年滿發小時數為735.6 h；850 kW風力機的年滿發小時數為428.5 h。可見，在該地區小型風力發電機相對大型風力機對風資源的利用率更高。

因此，在風速相對較低的地區，采用小型風力發電機比大型風力機在風資源利用、滿發小時數方面均有優勢。

4 經濟效益分析

根據美國風能協會的有關分析，小型風力發電機組的離網發電系統每瓦投資為1.5～3.0美元，每度電成本為0.10～0.15美元；而光伏發電每瓦投資為5～7美元，每度電成本為0.4美元[10]。無論是初期投資還是每度電成本，小型風力發電都比光伏發電要低。并且我國的小型風力發電機組價格和美國相比要低得多，隨著相關激勵政策的支持，規模化生產小型風力機，其生產質量將上升，成本也將逐漸下降。

小型風力機分布式并網發電技術在我國的利用仍處于起步階段，充分認識其經濟效益有助于引導電力用戶和公司以及政策制定部門更好地開發該技術。評價風電項目的一項重要指標是平均發電成本[14]。在實際風電項目經濟評價時，可用平均發電成本的高低為判別原則來比較優劣。平均發電量成本的高低受發電量、初始投資、折舊率、各年的投資及運行維護成本、折現率等因素的影響。結合投資成本和運行成本,可綜合反映風電項目的經濟性。由于小型風力機分布式并網中風力機量多，成本大，因此有必要考慮長期投資經濟性。

平均發電成本計算公式為：

式中，C0表示總投資成本；C1表示初始投資成本；C2表示運行維護費；CW表示經濟壽命周期內的發電成本；n表示經濟壽命周期；p表示折現率（本文取10%）；Di表示第i年的成本；f表示折舊率。

根據上節中1.5 kW的小型和850 kW的大型風電機組，對其進行平均發電成本計算來分析比較其經濟性。其中大、小型風力機使用數據參考當前實際市場價格。表2為相應的計算結果。從中可知，小型分布式風電項目投資回收期內的平均發電成本低于大型風電項目。

除此之外，大型風力機單臺成本高，原材料、零部件的采購金額大，并且部分緊缺的配套零部件供應周期長、付款方式也較為苛刻，一般需先支付70%～80%的預付款才能拿到配套零部件，風電場造價高，機組運輸費用高，而本地用電需求量又少，限制了人類對風能的利用；而小型風力發電機單臺成本廉價，組裝簡易、付款方便，運輸費用及維護費用少，因此小型風力應用門檻很低。綜上所述，小型分布式風電項目具備較高投資價值。

表2 2種風力機經濟計算結果Tab.2 Economic calculation of two kinds of wind turbines

5 結語

小型風力發電機在風速利用范圍、占地面積、電力傳輸、儲能等方面有很好的優勢，在風資源利用率、滿發小時數上優于大型風力機，經濟效益方面也具較高投資價值，是值得廣泛發展的一類產能設備。

隨著國家《可再生能源法》及《可再生能源產業指導目錄》的制定，市場的培育和生產技術的改進，相繼還會有多種配套措施及稅收優惠扶植政策出臺，這必將提高小型風力發電機生產企業的生產積極性，促進產業快速健康發展。目前國際上正在積極發展小型風電作為分布式電源，在今后幾年的可再生能源的發展應用中，小型風電市場將更加廣闊，將成長為一個非常有前景的分布式發電領域。

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