不同風(fēng)切變條件下風(fēng)電場風(fēng)機(jī)輪轂高度選取分析

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 ■ 楊智奇

1 概況

1.1 背景

可再生能源形式主要有太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、垃圾發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)崮堋⑺l(fā)電、燃料電池等。而風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界新能源開發(fā)中技術(shù)最成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，由于其在減輕環(huán)境污染、減少溫室氣體排放、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方面的突出作用，越來越受到世界各國的高度重視，并得到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。

1.2 研究內(nèi)容

本文通過分析目前技術(shù)較成熟、商業(yè)化運(yùn)行最多的單機(jī)容量1500 kW的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，選取葉輪直徑87型風(fēng)電機(jī)組在不同地區(qū)、不同風(fēng)速廓線下，不同輪轂高度下的理論發(fā)電量進(jìn)行估算，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，總結(jié)出不同地區(qū)不同風(fēng)況下的最佳輪轂高度匹配性結(jié)果，為不同區(qū)域風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組輪轂高度選擇提供前景預(yù)測。

2 風(fēng)能利用

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能的裝置。風(fēng)機(jī)風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下產(chǎn)生空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過傳動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[1]。

風(fēng)輪尾流不旋轉(zhuǎn)時(shí)的動量理論如圖1所示。

連續(xù)性假設(shè)：A1V1=AV=A2V2 (1)

圖1 風(fēng)輪尾流不旋轉(zhuǎn)時(shí)的動量理論

式中，V為平均風(fēng)速；A為掃風(fēng)面積；ρ為空氣密度；P為風(fēng)輪吸收的能量；C為風(fēng)輪吸收效率。

在理想情況下，風(fēng)輪最多能吸收59.3%的風(fēng)動能[2]。

2.2 風(fēng)能利用

風(fēng)能可用“風(fēng)能密度”來描述，空氣在1 s內(nèi)以速度V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風(fēng)能密度。公式如下：

式中，V1,V2…Vi,…Vn分別為不同高度的風(fēng)速；Ai為不同高度有效風(fēng)面積；N為總小時(shí)數(shù)；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。將各高度的風(fēng)能密度乘以面積相加求和再乘以總時(shí)間數(shù)，即可得到總的理論發(fā)電量。

3 風(fēng)切變對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響

3.1 計(jì)算條件假設(shè)

1)大氣層結(jié)性質(zhì)為中性層結(jié)；

2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)掃風(fēng)面積內(nèi)風(fēng)速隨高度變化規(guī)律呈指數(shù)分布；

3)風(fēng)在水平方向無切變；

4)風(fēng)速頻率分布滿足Weibull分布；

5)空氣密度為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

3.2 風(fēng)機(jī)發(fā)電量計(jì)算方法

由于87型風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑約為87 m，將其掃風(fēng)面積按照1 m的高度進(jìn)行等分，劃分為87份，假設(shè)每等分面積內(nèi)具有相同的風(fēng)速，則每等分區(qū)域內(nèi)具有的風(fēng)能為[3]：

根據(jù)目前市場上1.5 MW風(fēng)機(jī)實(shí)際情況，基準(zhǔn)輪轂高度普遍在70 m，因此本階段選取最低輪轂高度為70 m，而后每次增加輪轂高度1 m，最終輪轂高度達(dá)90 m。通過上述輪轂高度的變化，計(jì)算出各輪轂高度上掃風(fēng)面積內(nèi)風(fēng)能的變化情況，其過程示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積風(fēng)能劃分示意圖

3.3 不同風(fēng)切變下風(fēng)速和風(fēng)能分布

3.3.1 不同風(fēng)切變下風(fēng)速分布

根據(jù)目前在建風(fēng)電場風(fēng)資源情況，風(fēng)電場70 m輪轂高度處平均風(fēng)速一般約為6.5 m/s。為便于分析，本階段假設(shè)70 m高度風(fēng)速為V70=6.5 m/s，分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)切變α=0.143，以及較小風(fēng)切變指數(shù)α=0.07和較大風(fēng)切變指數(shù)α=0.2下的各高度風(fēng)速，結(jié)果見表1。風(fēng)速廓線如圖3所示。

表1 V70=6.5 m/s各風(fēng)切變值下不同高度風(fēng)速(m/s)

圖3 V70=6.5 m/s各風(fēng)切變值下風(fēng)廓線示意圖

當(dāng)V70=6.5 m/s時(shí)，不同的風(fēng)切變值，平均風(fēng)速隨高度的變化速率不同。風(fēng)切變指數(shù)越大，隨高度增加風(fēng)速增加的速率越大。

3.3.2 不同風(fēng)切變下風(fēng)能分布

按照公式(7)，計(jì)算出各輪轂高度下機(jī)組掃風(fēng)面積范圍內(nèi)所包含的風(fēng)能,如表2所示。隨著風(fēng)切變越大，風(fēng)能隨高度的增加率便越大。

表2 70 m同等風(fēng)速下不同切變的各輪轂高度的風(fēng)能

3.4 相同風(fēng)切變、不同風(fēng)速條件下風(fēng)能分布

3.4.1 相同風(fēng)切變下風(fēng)速分布

利用標(biāo)準(zhǔn)切變值α=0.143，通過對70 m高度風(fēng)速為6.5、7.0、7.5 m/s進(jìn)行等切變遞推，得到各高度下的風(fēng)速值，結(jié)果見表3，風(fēng)速廓線見圖4。

表3 標(biāo)準(zhǔn)切變下風(fēng)速隨高度的變化

3.4.2 相同風(fēng)切變下風(fēng)能分布

經(jīng)計(jì)算，上述3種風(fēng)速廓線下不同輪轂高度的風(fēng)能如表4所示。

圖4 相同風(fēng)切變值下不同風(fēng)速風(fēng)廓線示意圖

由表4可知，隨著輪轂高度的增加，風(fēng)能也相應(yīng)增加，但增加幅度有所減小；同高度風(fēng)能的增加率與風(fēng)速大小無關(guān)，與切變指數(shù)相關(guān)。

4 不同風(fēng)切變下輪轂高度比選

4.1 風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益

影響風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的主要因素包括：風(fēng)資源、總投資、運(yùn)營成本及上網(wǎng)電價(jià)。為提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益，需要在合理上網(wǎng)電價(jià)的前提下，盡量提高風(fēng)資源，降低總投資和運(yùn)營成本，如圖5所示[4]。

表4 標(biāo)準(zhǔn)切變下風(fēng)速隨高度的變化

隨高度的上升，風(fēng)速呈逐步增大的趨勢，風(fēng)功率密度也將隨之提高，因此風(fēng)機(jī)輪轂高度的變化將對發(fā)電量造成顯著變化。單純從獲取更多風(fēng)能的角度，輪轂高度越高，發(fā)電量也隨之越大。

但當(dāng)風(fēng)機(jī)輪轂高度增加到一定程度時(shí)，盡管發(fā)電量有所提高，但工程的投資和施工技術(shù)要求必將同時(shí)增加。因此，需對風(fēng)機(jī)輪轂高度的選擇進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，采用適宜風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)輪轂高度，以達(dá)到投資優(yōu)化的目的。

圖5 提高風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益模型示意圖

本階段，分別對風(fēng)切變指數(shù)為0.07、0.143、0.2情況下的風(fēng)電場不同輪轂高度下差額內(nèi)部收益率進(jìn)行比較，以對不同風(fēng)切變條件下風(fēng)電場輪轂高度選取進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 發(fā)電量

在3種風(fēng)切變條件下，不同風(fēng)速、不同輪轂高度下的發(fā)電量如表5所示。

表5 3種風(fēng)切變條件下，不同風(fēng)速、不同輪轂高度下的發(fā)電量計(jì)算表

4.3 主要經(jīng)濟(jì)費(fèi)用差額比選

不同風(fēng)力機(jī)輪轂高度，其差別主要有4個(gè)方面：風(fēng)資源、塔架、基礎(chǔ)、施工吊裝。根據(jù)比較分析計(jì)算，不同輪轂安裝高度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果見表6～表8。

由比較結(jié)果可見，風(fēng)切變指數(shù)的增加及風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)輪轂高度處平均風(fēng)速的增加，都可以使增加輪轂高度后風(fēng)電場年發(fā)電受益增加。選擇更高的輪轂高度后，投資-收益的差額內(nèi)部收益率也逐步增加。

表6 V70=6.5 m/s時(shí)各安裝高度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果表

表7 V70=7.0 m/s時(shí)各安裝高度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果表

表8 V70=7.5 m/s時(shí)各安裝高度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果表

但對于風(fēng)切變指數(shù)及輪轂高度處平均風(fēng)速相同的情況，由于發(fā)電量增加量隨著高度的增加逐漸變小，而投資增加量隨著高度的增加逐漸加大，因而投資-收益的差額內(nèi)部收益率會隨著輪轂高度的增加逐漸變小。

5 結(jié)論

由以上分析可以看出，塔架高度越高，風(fēng)電場發(fā)電量越好，但同時(shí)投資也增加。根據(jù)風(fēng)資源水平的不同，投入-產(chǎn)出的差額內(nèi)部收益率也發(fā)生變化。風(fēng)力機(jī)輪轂高度應(yīng)按照風(fēng)電場現(xiàn)場風(fēng)能資源特性及投資費(fèi)用進(jìn)行差額比選。一般來說，風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)輪轂高度選取可遵循如下規(guī)律：

1)當(dāng)風(fēng)電場現(xiàn)場風(fēng)切變水平較大時(shí)(α>0.2)，應(yīng)適當(dāng)增加風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)輪轂高度(H>80 m)，直至輪轂高度增加后，投入-產(chǎn)出的差額內(nèi)部收益率接近基準(zhǔn)收益率(一般按10%計(jì))為止，以保證風(fēng)電場獲得更佳的發(fā)電量受益；

2)當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)切變水平較小時(shí)(α<0.07)，風(fēng)電場輪轂高度不宜過高(H<75 m)，根據(jù)當(dāng)前主流風(fēng)力機(jī)情況，輪轂高度宜在65～75 m之間選擇；

3)當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)切變水平適中時(shí)，輪轂高度的選擇應(yīng)同時(shí)考慮風(fēng)電場風(fēng)資源特性；在一定范圍(不改變IEC等級)下，風(fēng)電場平均風(fēng)速較大時(shí)，可適當(dāng)增加風(fēng)力機(jī)輪轂高度。

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