風(fēng)電機(jī)組選型中的效能評價(jià)

文 | 段少俊

風(fēng)電在我國得到迅速發(fā)展，從十幾年前示范性開發(fā)到今天大規(guī)模的建設(shè)，特別是近5年來爆發(fā)式的增長，雖然在我國“三北”地區(qū)風(fēng)電受到并網(wǎng)送出瓶頸的影響，但我國風(fēng)電年度新增裝機(jī)連續(xù)保持世界第一，累計(jì)裝機(jī)容量也一舉躍升至世界第一，成為名副其實(shí)的風(fēng)電大國。截止2014年9月30日，我國累計(jì)裝機(jī)容量突破1億kW,累計(jì)并網(wǎng)容量8497萬kW。同時(shí)，也催生了一大批風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)。風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷創(chuàng)出新高，風(fēng)電機(jī)組的類型也百花齊放，各有千秋，風(fēng)輪葉片也不斷加長，技術(shù)不斷成熟，造價(jià)大幅降低，加之國家大力支持和鼓勵(lì)開發(fā)可再生能源的有力政策，種種因素極大地激起了風(fēng)電開發(fā)商的積極性。無疑，更多的機(jī)型也為開發(fā)商提供了更多的選擇。在風(fēng)電場開發(fā)過程中，所有項(xiàng)目都面臨著風(fēng)電機(jī)組選型問題，如何選取適合本工程的風(fēng)電機(jī)組和正確評價(jià)風(fēng)電機(jī)組性能，將對風(fēng)電場未來運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益以及風(fēng)能資源利用產(chǎn)生重要影響。

風(fēng)電機(jī)組選型的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

風(fēng)電場項(xiàng)目前期階段，在獲取項(xiàng)目詳細(xì)風(fēng)能資源后，首要任務(wù)就是風(fēng)電機(jī)組選型。在風(fēng)電機(jī)組選型招標(biāo)或論證中，在滿足當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的條件下，考慮機(jī)組的技術(shù)、可靠性、質(zhì)量、以及商務(wù)信用等因素，把經(jīng)濟(jì)指標(biāo)放在首位，即單位度電成本最小、投資回報(bào)最高作為機(jī)組選型的重要指標(biāo)。作為企業(yè)，追逐較高利潤，這樣的選擇固然沒錯(cuò)。但是，性價(jià)比高的機(jī)型未必是效能（即風(fēng)能吸收轉(zhuǎn)換利用率）最好的風(fēng)電機(jī)組，一些風(fēng)電機(jī)組（特別是低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組）借助于加長葉片來獲得更多的發(fā)電量，在獲取高性價(jià)比的同時(shí)，一定是付出其他方面的代價(jià)。就好像評價(jià)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能一樣，不能簡單地只比較發(fā)電機(jī)的最大輸出功率，而是看發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率指標(biāo)。同樣，一些類型的風(fēng)電機(jī)組在同等容量下，為了提高發(fā)電量，采取了加大風(fēng)電機(jī)組葉輪長度的做法，這樣看起來單機(jī)發(fā)電量增加了，實(shí)際上它是靠占有更多的風(fēng)能資源而獲取的。換句話說，就是在同樣面積的資源條件下，將會(huì)減少風(fēng)電場的裝機(jī)容量。在當(dāng)今資源日益緊張的形勢下，發(fā)展集約型資源，減少粗放式開發(fā)是風(fēng)電發(fā)展的科學(xué)選擇。下面就以某風(fēng)電場機(jī)組選型工程實(shí)例進(jìn)行淺析。

我國某風(fēng)電場經(jīng)測風(fēng)塔測得70m高平均風(fēng)速為7.05m/s,基于計(jì)算流體力學(xué)原理的WindSim風(fēng)能計(jì)算軟件，模擬得出80m高處平均風(fēng)速為7.98m/s。擬選取的四種機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的基本參數(shù)如表1。

利用計(jì)算機(jī)軟件，基于WASP的WindFarmer、WindPro的平臺(tái)，在風(fēng)電場微觀選址的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)能資源狀況以及各機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，測算出各機(jī)型下風(fēng)電場的年平均發(fā)電量。再綜合各機(jī)型下風(fēng)電場的靜態(tài)投資估算，就可得出單位度電成本。各機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2。

由表2比較容易得出，方案4年平均等效發(fā)電小時(shí)數(shù)最高，單位度電成本最低，相比增加投資回收年限也最少，該機(jī)型成為最優(yōu)方案。

風(fēng)電機(jī)組效能分析

眾所周知，風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化成電能的過程。因此，電能主要取決于風(fēng)能，風(fēng)能的大小由風(fēng)的大小、空氣密度決定。綜合分析，影響風(fēng)電機(jī)組的效率主要有葉片吸收風(fēng)能的氣動(dòng)效應(yīng)、風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)電措略、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率、機(jī)械磨損耗能以及機(jī)組本體用電設(shè)備的能耗等。以下就葉片、齒輪箱以及發(fā)電機(jī)對風(fēng)電機(jī)組效率的影響進(jìn)行分析。

表1 各機(jī)型主要技術(shù)參數(shù)表

表2 各機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

一、葉片

葉片的葉形至關(guān)重要，它是風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心部件，葉形是依據(jù)葉素理論和動(dòng)量原理建模設(shè)計(jì)而成的。葉片的各處需要同相同的風(fēng)速相匹配，以保證葉片各處都有較好的側(cè)向推力，但是風(fēng)速是時(shí)刻變化的，為了適應(yīng)風(fēng)速的變化，理想的狀況就需要葉片隨著變化，或者變換葉輪的轉(zhuǎn)速。變速變漿距風(fēng)電機(jī)組的效率較高，相對固定恒速風(fēng)電機(jī)組效率提高20%左右。此外，葉片在風(fēng)力作用下產(chǎn)生彎曲變形以及表面的光潔度也會(huì)對風(fēng)能的吸收效率產(chǎn)生影響。

二、齒輪箱

表3 各機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中主要起到升速作用，以保證發(fā)電機(jī)具有較好的發(fā)電效率。由于發(fā)電機(jī)要做到相對較輕并且節(jié)省材料，就選用較少的磁極對數(shù)，為了和電網(wǎng)頻率保持一致，就需要較高的轉(zhuǎn)速。因此，齒輪箱也叫升速箱。齒輪箱內(nèi)部主要是傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，所發(fā)生的能量損耗主要是齒輪間的摩擦產(chǎn)生損耗和發(fā)熱，影響因素主要是齒輪間的間隙配合、潤滑等。此外，齒輪箱的軸承也會(huì)造成功耗的增加。

三、發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)基本屬于成熟產(chǎn)品，近年來由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障以及現(xiàn)場維修困難的原因，一些風(fēng)電機(jī)組廠商致力于開發(fā)永磁直流發(fā)電機(jī)，旨在減掉齒輪箱，減少風(fēng)電機(jī)組由于齒輪箱的故障引起發(fā)電損失以及產(chǎn)生較高的維修成本。從發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理而言，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率較高，一般可達(dá)95%左右。其能量損失主要是電磁轉(zhuǎn)化、磁漏、電機(jī)發(fā)熱以及軸承損耗等。從目前的制造和技術(shù)進(jìn)步來看，發(fā)電機(jī)技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性較高。

由此可見，風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)由空氣動(dòng)力、機(jī)械動(dòng)力和電力技術(shù)組成的一個(gè)系統(tǒng)工程。因此，衡量風(fēng)電機(jī)組的整體效率的參數(shù)最終還是效能轉(zhuǎn)換系數(shù)，在工程實(shí)際中可以采用單位掃風(fēng)面積年平均發(fā)電量指標(biāo)來代替。通過上例比較如表3。

表3數(shù)據(jù)分析顯示，四種型號(hào)風(fēng)電機(jī)組效能最好的是WTG3型風(fēng)電機(jī)組，最低的是WTG4，而單位度電成本最低的是WTG4型風(fēng)電機(jī)組，最高的是WTG3，從另一個(gè)角度來看，這也反映了經(jīng)濟(jì)學(xué)的一個(gè)客觀規(guī)律：在產(chǎn)品初期，技術(shù)性能優(yōu)良的產(chǎn)品其價(jià)格往往較高，只有當(dāng)規(guī)模化生產(chǎn)、銷量大幅增長后其價(jià)格就會(huì)降低，其優(yōu)勢才會(huì)體現(xiàn)出來。通過市場調(diào)研，由于WTG4型風(fēng)電機(jī)組暫無工程應(yīng)用，且價(jià)格優(yōu)勢不明顯，出于投資安全考慮，排除在外。WTG1型風(fēng)電機(jī)組，其單位度電成本和效能均排在第二位，性價(jià)比（效能提升%/度電成本增加%）也最高，為2.66，通過市場調(diào)研，該機(jī)型比較成熟，性能穩(wěn)定。綜合各種因素，推薦使用WTG1。

結(jié)語

風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，也是一種寶貴的自然資源，其可開發(fā)的區(qū)域和土地也是有限的。在風(fēng)電場開發(fā)過程中，風(fēng)電機(jī)組選型對投資回報(bào)和風(fēng)能資源的高效利用起著至關(guān)重要的作用。因此，在風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組選型時(shí)，需要考慮風(fēng)電機(jī)組的單位度電成本、質(zhì)量、服務(wù)外，同時(shí)兼顧風(fēng)電機(jī)組的效能指標(biāo)。風(fēng)電機(jī)組的效能指標(biāo)越高，即是風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率越高，也就是在同等面積的土地上，可以安裝更多容量的風(fēng)電機(jī)組，產(chǎn)生更多的發(fā)電量。反過來說，就是安裝同樣容量的風(fēng)電機(jī)組，可以節(jié)約土地和風(fēng)能資源。