風電機組的高輪轂方案分析

文 | 胡文玉

正在編制中的風電“十三五”規劃提出，風電有望逐步改變當前廣被視作“替代能源”的地位，上升為未來扛鼎國家能源結構調整主體的地位。根據規劃思路，理論上預計，到2020年，國內風電累積總裝機可達300GW；到2050年，總裝機規模將在此基礎上增長9倍達到3000GW，其所消費電量將占據國內能源總消費量的80%，成為名副其實的主體能源。

“十三五”期間，陸上風電仍是重頭戲，海上風電定調謹慎，政策方目前擬定的“十三五”規劃思路中，對于海上風電的開發定位是“穩妥推進”。目前的方向選擇主要以“上山下海”，與之配套的是，業界也加大了研究力度，如開發海上風電機組和山區低風速風電機組等，但風電開發中仍然面臨諸如征用地困難、效益指標不高等現實困難，其主要原因是受投資總額限制、風電機組出力不夠等因素制約。因此，尋找一個具有更高投入產出效益比的技術經濟方案或許是解決問題的方向，由此引出高輪轂方案。

陸上風電開發局限性

一、缺少前瞻性的規劃

“十二五”規劃的風電裝機量目標仍然偏保守，與社會巨大的風電發展需求有一定的脫節，根據“十三五”的初步規劃，風電裝機規模預期到2020年的原有基礎上進行了大幅度提升；另一方面，目前的風電規劃注重是從風能資源的角度進行分析，與電網配套的容量分析稍顯不足，對土地的有效利用分析缺乏，尤其是風電規劃后與之前的相關規劃，造成實際風電項目由于與城市建設用地爭指標、與土地規劃不符、與生態規劃沖突等問題，導致規劃的落實困難。

二、土地資源的價值有待重視

我國建設項目用地通常采用的是征用地方式和部分采取招拍掛的方式，而風電項目通常位于偏遠的地方，采用征用地方式，市場對土地價值的作用有一定的局限性。筆者了解德國通常采用風電投資商邀土地權屬人以入股的方式開發風電，對分布式風電開發具有較好的引導作用，也充分體現了土地資源的價值。

三、缺少對更高輪轂高度風能資源的觀測和分析

長期以來，我國進行的風能資源觀測評估通常以100m為界，除了國家氣象層面有一定的中尺度數值分析以外，工程界通常以70、80m測風為主。根據中國氣象局 2009 年風能資源評估成果，我國風功率密度到達400－500W/m2及以上的風能資源潛在開發量為1.22TWh億千瓦，風功率密度到達300－400 W/m2及其以上的風能資源潛在開發量為2.58TWh，風功率密度達200－300 W/m2的風能資源潛在開發量約為1.56TWh。而這里所指潛能僅是50m高度的風能資源分析得出的初步結論，因此，可以說，我國陸上風電還有巨大的開發潛力。

但離地100m上空，尤其是廣袤的華中華東華南地區（除沿海以外）到底風速如何，目前還缺少實測和分析工作。

高輪轂高度的風能資源理論分析

一、風速垂直切變

近地層風速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結狀態。在中性大氣層結下，對數和冪指數方程都可以較好地描述風速的垂直廓線，實測數據檢驗結果表明，在多數地區冪指數公式比對數公式可以更精確地擬合風速的垂直廓線，我國新修訂的《建筑結構設計規范》也推薦使用冪指數公式，其表達式為：

式中，V2為高度Z2處的風速（m/s）；V1為高度Z1處的風速（m/s），α為風切變指數，其值的大小表明了風速垂直切變的強度。

一般來說，在沒有特殊天氣背景及陡峭地形的情況下，風速垂直切變受地表粗糙度影響較大，近地面測層風速由于受地表粗糙度影響，風切變較大。越往上，越遠離地表的影響，風速越穩定，風切變逐漸變小。

二、已有塔高風切變分析

本文選取江西某風電場內一座100m測風塔資料進行分析，測風塔的海拔高度較低，為H=12m，表1為其實測風資料。

該塔80m與70m測層之間風切變為0.4557，90m與80m之間風切變為0.2470，100m與90m之間風切變為0.1686，各測層之間平均切變為0.2156，詳見表2。

三、更高輪轂處的風速預測

參考《風電場風能資源評估方法》，風切變指數α取1/7（0.143）和本測風塔實測的平均風切變指數，以100m測層實測風速為基礎，可以推算當輪轂高度H=130m時，輪轂高度處風速V2的結果變化如表3所示。

表1 風電場1503#測風塔年平均風速及風功率統計

表2 1503#測風塔測風期各測層間風切變

高輪轂方案

右圖1為德國中部一臺輪轂高度為160m高的風電機組安裝后的圖片，下面分別介紹高輪轂方案帶來的風速提升和更加突出的經濟效益。

一、平均風速與發電量關系

以一臺2MW風電機組為例，經評估的風功率曲線的不同，年平均風速下的年滿發小時數如表4所示。表4表明，年平均風速越高，在同等條件下，風電機組的年滿發小時數就更高。

二、風電場的效益對比分析

根據上述測風塔資料，查表3和表4，按插補方式可以求得，風電機組在130米輪轂高度處的年發電量比100m輪轂高度處的年發量差為240h。本文以一個50MW裝機規模的風電場為例，計算由于塔筒和基礎費用變動引起的風電場投資效益對比情況，如表5所示，更高輪轂方案的度電投資更少，項目的整體收益率會更高。

表3 風速隨輪轂高度變化情況對比表

表4 風速隨輪轂高度變化情況對比表

三、案例分析

以上圖1所示德國某臺高輪轂風電機組為例，本文收集了此風電機組的設計參數如圖2所示。風電機組型號：富蘭德FL2500，單機功率：2500kW,葉輪直徑：90m，輪轂高度：160m，年發電量：7207.2GWh。

圖1 德國某160m輪轂高風電機組

表5 以25臺2MW風電機組為例不同輪轂高度的技術經濟比較

圖2 德國某160m輪轂風電機組的技術參數

經計算，此風電機組的年等效利用小時數高達2880h，相對而言，與同功率80m輪轂高度風電機組高出約40%的電量提升，而投資則只有20%的提升。高輪轂方案具有顯著的投資效益。

結論

本文通過對風切變實測資料分析認為，基于正常風速隨輪轂高度風速加速的程度來說，只要風電場區域形成一定基數的正切變，更高輪轂高度的風電機組安裝將具有更高的投資效益。而有資料分析顯示，當離地面一定高度（如超過60m）后，陡峭的山峰處會形成微“負切變”，不利于高輪轂方案，但在廣袤的平原地區，風速高度加速的可能性增大，因此，有必要進行高于100m輪轂高度的測風和工程實踐活動。