面向2020年的風電技術經濟問題探討

崔新維

(北京三力新能科技有限公司，北京　100176)

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面向2020年的風電技術經濟問題探討

崔新維

(北京三力新能科技有限公司，北京100176)

摘要：風電產業要可持續發展，風電與常規電能上網電價相當是必然的趨勢。為了解決上網電價不斷下調給風電開發商帶來的收益下降問題，從機組技術和制造模式兩個方面給出一些可能的方案，試圖從不同角度解決風電發展過分依賴補貼的問題。所提的方案有些已經實施，效果明顯，有些正在探索中。

關鍵詞：風電技術經濟；風電機組技術；定制化制造

一、背景

(一)風電行業主導地位的變遷

風電產業的發展逐步形成了完整的產業鏈，主要有零部件供應、整機制造和風電場開發等3個環節。在40多年的演進中，起主導作用的環節從上游逐步轉移到下游，目前風電產業是以風電開發商為主導的產業。導致這種現象的重要原因是，隨著風資源的弱化，發電投資的回報越來越接近臨界點，風電開發商對回報要求越來越精準。全球風電業基本如此，中國的這種現象更突出一些。因此，風電產業的上游環節應更多地面向開發商的需求開展工作。

(二)中國開發商面臨的主要問題

1.風電上網電價的持續下調

2014年，國家能源局宣布，2020年爭取風電與煤電上網電價相當[1]，國家能源局調價方案如表1所示。

表1　2015—2020年國內上網電價下調方案　元

從表1可見，到2020年裝機占比最多的3、4類風區分別比2015年下降近9%和5%，按照目前的技術現狀和盈利能力，開發價值明顯降低。

2.可開發風資源的弱化

據初步統計，國家“十二五”已核準的5批風電項目中，61.42%在2015年下調電價后的4類風區中，這個比例未來肯定會更大。4類風區的發電收益原本就不太可觀，接近投資收益的臨界點，下調電價對這類風區的開發商來說無疑是雪上加霜。如按單個風電場年毛收入7 000萬元計算，2020年的上網電價將使開發商每年減少1 000萬元的收入，毫無疑問這是開發商無法接受的。

面對這樣的困境，本文以未來開發比例最大的4類風區為例，試圖通過機組技術、制造模式等方面的挖掘和創新，為開發商找回15%左右的風力發電收益。也即，當2020年4類風區的風電以0.52元的電價上網時，開發商仍然能夠保持現在的發電收益。

二、機組的技術進步

眾所周知，面對風速越來越低的風資源區域，為了確保風電機組的發電能力，全世界的風電整機制造商最基本的做法是：

1.采用高塔架提高輪轂中心高度

2.加大葉輪的直徑，以使單機獲得更多的風能

風速是三次方地影響風功率，葉輪直徑是兩次方地影響風功率。這是在機組技術上可以做到的次有效的手段，因此盡管有人不斷質疑葉輪直徑到底做多大，葉輪直徑的大型化與機組容量的大型化一樣，成為整機商常用的機組更新換代手段，這不僅是為了用于低風速加大葉輪直徑，就是在同等風區的機型上葉輪直徑也越來越大，即單位千瓦掃風面積越來越大。以國外主流的Vestas3.xMW為例，葉輪直徑的大型化趨勢，如表2所示,單位千瓦掃風面積的增加意味著在同等風速下機組的捕風能力提升。

表2　Vestas3.x機組葉輪直徑大型化趨勢

從表2可見，面對越來越多的年均風速在5.5～6.5 m/s的4類風區，選用較大的葉輪直徑是通行的辦法，也是本文重點討論的內容之一。

確?；蛱嵘龣C組在低風速下的發電能力，除了增加葉輪直徑外，另一個有效的方式是提高機組傳動系(包括發動機)的效率，在葉輪的功率系數Cp相同的情況下，不同機型的傳動系效率會有較大的差異，尤其是在低風速運行時。

3.增加葉輪直徑的設計

以目前主流的2 MW為例，主要的設計過程與方法是：

一是客戶調查與需求分析。在國內除“三北”和東南沿海的內陸地區，存在大量擬開發的年均風速在5.5～6.5 m/s的4類風區。開發商提出，一個5萬千瓦的風電場在折減0.7后，年等效發電小時數高于2 300。這意味著在現行0.61元的上網電價下，年均毛利潤不低于7 000萬元，才能保證開發商的投資回報。

二是確定機組的葉輪直徑。葉輪直徑意味著發電能力或等效時數。選擇110 m、116 m和122 m三種規格的葉輪直徑在0.7、0.75和0.8三種折減系數下進行等效小時數對比，仿真計算的結果如表3所示。

表3　葉輪直徑與年等效發電時數的關系

從表3可見，3種折減系數對應的年等效小時數，只有122 m的葉輪直徑能夠在0.7折減時達到要求的發電小時數，因此，開發商更愿意選擇122 m的葉輪直徑。

需要說明的是，這樣的選擇對于有能力研發新機組的機構來說是容易的，但對于在已經引進的機組平臺上進行二次開發，卻是不容易做到的。因為加大葉輪直徑需要提高產品平臺的承載能力，已有產品平臺的承載能力是確定的，安全裕度也是有限的，一般很難承受加大葉輪直徑增加的載荷。為了減小工作量，許多公司的做法是哪個零部件弱加強哪個，但修修補補之后難免某個環節留下隱患。

三是優化設計降低機組的成本。同等情況下，葉輪直徑的增加，提升了機組的發電能力，同時也加大了機組的載荷，進而會增加機組的成本。在滿足了風電開發商的發電能力需求后，機組的成本是必須要控制的指標。以一個5萬千瓦的風電場為例，初步設定的目標是，以國內的2MW-116機型為基準，年發電量提高5%，允許機組的售價高出5%。如銷售價以4 000元/kW為基準，高出5%就是200元/kW，即售價為4 200元，一個風電場的初期投入將增加1 000萬元。而根據仿真結果，2MW-122的年發電收益可以比2MW-116提高6.4%，增加436萬元，20年增收8 723萬元。和初期多投入的1 000萬元相比，還是很劃算的。

當風資源確定后，發電收益一般也是確定的。要提高機組的經濟性，需要更進一步降低其成本。這項工作是從技術和商務兩個方面展開的。技術上可以從結構拓撲優化、載荷控制、零部件優化設計等方面努力。目前已經達到的效果是，和同類機組相比機艙重量降低了12.6%。經過樣機階段并進入批量化生產后，2MW-122機組的成本基本上已經和現有的最具成本優勢的雙饋式2MW-116機組相當，機組的售價僅高出不到2.5%。隨著2MW-122機組市場份額的進一步增加，兩者的售價將趨于持平。

4.提高傳動系效率的設計

當葉輪直徑相同時，機組傳動系效率，尤其是低風速段的效率對于發電能力的影響是明顯的。傳動系效率和機組的類型有關，在低風速段大約相差3%～18%。目前常見的機組類型有雙饋式(高速齒輪箱+高速異步電機)、高速永磁式(高速齒輪箱+高速永磁發動機)、直驅永磁式(無齒輪箱+低速永磁發電機)和中速傳動式(中速齒輪箱+中速永磁發動機)。各種機型的傳動系效率曲線如圖1所示。

圖1　各種發電機傳動系的效率曲線

從圖1可以得出如下結論：

一是基于永磁式發電機的傳動效率均高于雙饋式傳動系的效率，說明雙饋式風電機組在功率曲線的低風速段運行時，其發電效率要低于基于永磁式的風電機組。在一個3類風區連續10天的實測數據表明，在多數時間是低風的條件下，永磁機組單位千瓦的發電量是雙饋機組的2倍。

二是將雙饋式風電機組用于低風速(4類風區)區域，在低風速的高頻區(40%～80%額定風速)內，雙饋式機型的傳動系效率比直驅式相差16.5%～2.2%(平均6.3%)，比中速永磁相差13%～2.2%(平均6%)，比高速永磁相差7.5%～1.2%(平均3%)。因此，從傳動效率(即發電能力)上來說，用于四類風區的低風速機組優先選用直驅式或中速傳動機型，其中至少有6%的差距。

三是有的雙饋式機組廠商希望將其改造成雙電機模式，以適應低風速下高效發電的需求，但這樣就涉及復雜的控制邏輯，還降低了機組的可靠性，增加運行風險。還有制造商將風機設計成雙饋式+永磁式的雙電機配置，也是試圖解決低風速下雙饋發電機效率低的問題，但卻帶來了許多新的問題，如齒輪箱疲勞壽命減小、發電機總成本增加、控制系統變復雜等問題。為了解決問題而引出更大的新問題，是不可取的。

上述技術措施，可以使基于永磁發電機的風電機組比雙饋式風電機組多獲得12.4%的發電收益。這樣，當國內的風電上網電價下調時，這個比例可以使風電開發商在3類風區(到2018年)、4類風區(到2019年)開發風電項目時，保持現有的投資收益率不降低。余下的幾個百分點的潛力通過以下幾條技術進步途徑來實現。

一是機組技術的進步。未來幾年，葉片技術、控制技術和新型塔架技術的進步將會使風電機組在保持成本不再增加的前提下，更多地捕獲風能而多發電。也就是說，未來的機組競爭力不是在價格上，而是在發電能力上，未來發電能力再提高5%是完全有可能的，這就基本彌補了3、4類風區由于下調電價而損失的收益。

二是風電場的精確選址。這一途徑涉及風資源的精準測量和分析、機組容量的優化配置(或定制化)、機位的微觀選址和排布。估計至少還有5%的潛力，意味著實際的折減系數可以高一些。

三是風電場的運行維護。當選用了優質的風電機組及其他發電設備后，要保證機組的發電能力，就需要保證機組設備穩定可靠運行。這既需要可行的運行措施，包括風電場的先進調度方式、功率預測等，也需要良好的維護保障。這方面至少還有3%的潛力。

三、整機機組定制化

(一)風電機組運行環境條件的多樣性

隨著風電產業的發展和成熟，一方面整機商供應的機組種類越來越多，另一方面開發商面臨的項目現場越來越復雜多樣化。我國幅員遼闊，各個項目現場的多樣化特性可以用風資源及地理、海拔、溫度、地形、濕度、鹽蝕度、沙塵等環節地理因素來描述。風資源的情況并非如IEC或GL規范所定義的情況，如年均風速是3類風區，而極限風速可能是2類風區等級等；風頻分布也可能呈現雙峰現象；風剪切可能出現負剪切等。而且，環境地理因素還有著很大的相關性，其相關矩陣如表4所述。從表4可以看出：

(1)低溫特性可能出現在高海拔地區(如華北山區)，也可能出現在低風速區域(如“三北”地區)。

(2)低風速特性也會出現在高海拔區域(如云貴高原)。

(3)風沙地區可能會有高溫(如西北地區)，高濕地區也可能有高溫(如南方地區)。

(4)低溫地區可能會有高濕(如東北地區)等。

表4　環境地理因素的相關矩陣

如果將機組簡單劃分為所謂的低溫型、高海拔型、低風速型、抗風沙型，則往往容易顧此失彼。不僅如此，面對這種復雜的風資源和環境地理條件，整機商只是提供按照標準等級備好的機型，風電開發商未必能選到最佳的適用機型，通常會在發電能力和安全性之間平衡。追求發電量可能會導致安全問題，過于注重安全又會犧牲發電量，已投運的項目現場這類問題比比皆是。

筆者認為，解決上述兩類問題的辦法是風電機組的定制化，用定制化的方法既可以很好地解決各種涉及地域、氣候、地理等因素的問題，又能最大限度解決風電場開發中的收益問題，還有效地規避了安全問題。

定制化就是為目標客戶個性化定制，是市場細分的極限化，供應商要做的就是如何最大限度滿足目標客戶的個性需求。定制化包括產品、服務、營銷、生產、管理等的定制化。目前在家裝、汽車、手機、電腦等行業已有成功的案例。

(二)風電機組的定制化

1.需要一個產品平臺

風電機組要實現定制化，不是從零做起開發一個全新的機組產品，而是首先建立一個基本的產品平臺。這個平臺給出機組產品的基本規格，然后在此基礎上配置變更(如葉片更換、選配塔架等)、氣候適應(如耐低溫、除濕、高溫冷卻等)、環境適應(如沿海防鹽蝕、戈壁防沙、高海拔配置等)、塵品質升級(如選用高質量等級的齒輪箱、防腐等級提升)等、現場調試(控制系統調試、控制策略優化等)等定制化工作。

2.需要精準的風資源分析和機組排布

定制化的目的是盡可能多發電，為此，除了在機組上做文章外，還需對機組所處的現場風資源進行精準分析，選擇最佳或接近最佳的機位。機組排布對發電量的影響有時也是非常明顯的，表5為某風電場在風資源分析后所做的不同排布方案及其效果?，F場風資源概況是場區內測風塔70 m高度年均風速7.3 m/s，主導風向為西風。

表5　風電場的不同排布方案及其效果

從表5可見，在保持區域占地面積不變的情況下，方案6的發電量增加效果最顯著，即排距的影響很明顯。

3.機型優選

機型優選的原則應該是：以發電量最大化為目標，以成本為約束，也就是使度電成本最低。提出這樣的原則是因為許多風電開發商往往以采購成本最低為目標，忽略機組的性能，尤其是發電性能，進而造成整機商大打價格戰。最終的循環是惡性的：整機商為了保證自身的利潤率，又進一步向供應商壓價；供應商被壓價后，勢必難保所供零部件的質量(所謂低價低質)，裝成整機投運后，開發商既擔心質量不保，又受到發電量的壓力，一再延長質保期。整機商不能及時得到質?；乜?，資金壓力加大，又傳遞給供應商。為了證明機型優選的效果，這里舉一個案例。在一個3類風區，一臺2.5 MW的機組和相鄰的一臺1.5 MW機組對照運行，10天的對照結果是2.5 MW機組的單位千瓦發電量是1.5 MW機組的近2倍。這意味著一個風電場如果全部選用2.5 MW的機組，可以比全部選用1.5機組多出近1倍的發電量。從發電能力的角度看，實際的情況也是盡可能選擇大型機組和高效機組。

4.機組品質的定制

這主要體現在零部件的質量等級要求上。質量等級高的零部件，在原材料來源、加工設備的精度、檢驗要求、出廠測試等方面有所不同，伴隨的是造價的提升(5%～10%)。業主可以進行定制化要求，追求較高的產品品質及較低的運行成本。

5.機組配置的定制

這方面的內容較多，也是定制化的主要體現，主要包括葉輪直徑、塔架高度、電氣配置、控制策略、其他附加配置等的選擇，進而構成了發電能力最強、度電成本最低、適用于各種風區等級、各種氣候條件和環境地理條件的定制化機組方案，可用圖2示意。

6.定制化的生產管理

任何機電產品的定制化都會帶來生產組織管理上的新課題，風電機組的定制化也不例外。機組需求的多樣化導致配置的多樣化，配置的多樣化帶來零部件采購、質量監控、裝配生產、測試檢驗、員工配置甚至產品編碼等方面的多樣化，加大了生產管理的難度。關于這些內容，已有大量的文獻可供參考，本文不再贅述。

通過定制化的模式，開發商可以再提升5%以上的發電量，可以完全彌補電價下調造成的投資收益下降。

圖2　機組定制化配置示意

四、結論

在風電上網電價不斷下調的大背景下，國內的風電開發商面臨投資收益下降的困境。為了確保收益不降甚至略有上升，開發商可以采取的有效策略是：

(1)選用能帶來更多發電收益的風電機組，通過發電量的提升來彌補上網電價的下降。這樣的機組是根據國內的風資源條件、供應商狀況和開發商的基本訴求開發設計的，國外公司設計的機組難以做到，基于這種機組平臺改進的機組同樣難以做到。

(2)電價下調使風電開發商收益下降，簡單壓低機組的采購價似乎于事無補，一味壓價的最終結果是機組的品質下降、可靠性降低，機組運行一段時間后各種質量問題爆發，受損的還是開發商自己。

(3)定制化是追求最低的度電成本的有效方式，這是一種以開發商為主導，以機組技術為核心的生產機制。這種機制既可以給所開發項目帶來最大化的利益，又能滿足其他的個性化需求。

參考文獻：

[1]新華網.國家能源局：大力推進能源節約 打造中國能源升級版[EB/OL].[2015-12-29].http://news.xinhuanet.com/fortune/2014-11/09/c_1113175639.htm.

(責任編輯魏艷君)

Study on Wind Power Technical Economy Problems in 2020

CUI Xin-wei

(Beijing Sanli New Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100176, China)

Abstract:If the wind power industry wants a sustainable development, the fact that wind power and conventional power have a fairly feed-in tariff is an inevitable trend. In order to solve the profitability problems to wind power developers caused by the constantly cut of feed-in tariff, we proposed some possible solutions from two aspects of generator technologies and manufacturing model and tried to solve the problem that wind power development relying on subsidies from different angles. Some of the proposed scheme has been implemented and had obvious effect, and some are in the process of exploring.

Key words:wind power technical economy; wind power generator technologies; customized manufacturing

文章編號：1674-8425(2016)01-0031-06

中圖分類號：F424.5

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(s).2016.01.006

作者簡介：崔新維(1961—)，男，高級工程師，北京三力新能科技有限公司總經理，研究方向：風力發電新機組開發、風電機組產業化、風力發電技術經濟性分析。

收稿日期：2015-11-28

引用格式：崔新維.面向2020年的風電技術經濟問題探討[J].重慶理工大學學報(社會科學)，2016(1):31-36.

Citation format：CUI Xin-wei.Study on Wind Power Technical Economy Problems in 2020[J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2016(1):31-36.

主持人語：

清華大學張希良 教授重慶大學劉渝琳 教授

近年來，在國家政策的大力扶持下，風電設備制造業進入了黃金期，制造技術和生產能力快速發展，獲得了技術和生產經驗的積累，尤其是在國內的能源供需矛盾問題越來越嚴重和電力需求上升的情況下，風電產業得到迅速發展。但隨著2014年國家能源局宣布到2020年爭取實現風電與煤電上網電價相當，風電產業將進入深入調整期。長期從事風電研發與制造的北京三力新能科技有限公司崔新維總經理的《面向2020年的風電技術經濟問題探討》一文，從上網電價不斷下調給風電開發商帶來收益下降問題著眼，從機組技術和制造模式兩個方面給出一些可能的方案，試圖從不同角度解決風電發展過分依賴補貼的難題。文章具有較強的現實針對性和指導意義。

與全球氣候變化緊密相關的能源消費問題是當今世界各國關注的熱點,特別是中國能源消費規模、能源消費峰值和消費結構等更是關注的重點。重慶社會科學院副院長王勝研究員等的《基于ECM模型和庫茲涅茨曲線的區域能源消費峰值研究——以重慶市為例》選取重慶市1997—2013年的GDP、人均GDP、城鎮化率和工業比重等統計數據，研究影響能源消費和經濟發展相關因素的關系，認為重慶市能源消費將在2028年達到峰值。這一研究結果與我國總體能源消費目標吻合，可以為我國城市能源消費規劃及政策制定提供參考依據。