風力發電機組葉尖延長增效技術的經濟性分析

（作者單位：鄒立偉，宋之燕：中科宇能科技發展有限公司；魏敏：浙江運達風電股份有限公司）

目前，市場應用較廣泛的兆瓦級風力發電機組葉片的增效技術包括氣動附件技術和葉片延長技術，氣動附件技術包括渦流發生器、襟翼和擾流板等，葉片延長技術包括葉根延長技術和葉尖延長技術。葉尖延長增效技術基于傳統的動量葉素理論，通過增大風輪掃風面積實現機組增效，具有增效效益顯著、應用成本低的特點，目前已在國內試點風電場實現了樣機試運行、批量安裝等應用，在下一步的市場化推廣中，其技術的可靠性及經濟性將成為人們關注的重點，本文在簡述葉尖延長增效原理的基礎上，著重進行了葉尖延長增效技術的經濟性分析，包括與工程上常用增效技術的經濟性對比分析及在工程案例上的經濟性分析。

葉尖延長增效原理

兆瓦級風力發電機組葉片葉尖延長增效技術是基于傳統的動量葉素理論，通過增大風輪掃風面積實現葉片的增效。在風力發電機組葉片設計中，我們把風力機吸取風能的系統簡化為經典的致動盤模型，結合致動盤模型上、下游的質量守恒定律、動量守恒定律及空氣的伯努利方程，可以得到風力發電機組有效功率與風輪掃風面積的關系式：

式中：P為風力發電機組的有效功率；a為表征葉片軸向速率變化的軸向誘導因子；ρ為設計空氣密度；v為風輪上游無窮遠處風速；s為風輪掃風面積。

由公式可知，功率P與設計空氣密度ρ、風輪掃風面積s、風輪上游來流風速v及葉片軸向誘導因子a相關，即風力發電機組葉片的出功受風資源情況及葉片設計兩方面影響。假設在相同的風資源條件（設計空氣密度相同，風輪來流風速相同）下，當通過優化葉片設計實現葉片軸向誘導因子水平相近時，影響葉片出功的核心因素是風輪掃風面積。兆瓦級風力發電機組葉片葉尖延長后將增加葉片長度，增大風輪掃風面積，達到風力發電機組增功的目的。

不同增效技術經濟性對比分析

本文以工程上常用的兆瓦級風力發電機組增效技術為例，分析了不同增效技術的成本及效益水平。兆瓦級風力發電機組增效技術應用的成本包含設計成本、生產成本和安裝成本，并可依據實際工程項目折算成直觀的批量成本。兆瓦級風力發電機組增效技術應用的效益水平體現在機組發電量提升方面（見表1）。

根據設計原理不同，不同增效技術的發電量提升幅度體現出相應差異。通過提高葉片風能利用系數為理論基礎增效的渦流發生器、襟翼、擾流板等氣動附件技術，受到原葉片流場水平及流場優化程度的限制，年發電量提升幅度保持在1%～2%；通過延長葉片長度的葉根及葉尖延長技術，延長后風輪掃風面積得到了大幅提高，年發電量水平實現了3%～5%的大幅度增長。

不同增效技術的設計成本包含了設計環節中的人力成本投入、固定資產投入及試驗測試投入。氣動附件類技術設計成本主要集中于人力成本投入和固定資產投入，由于氣動附件類的測試通常需要進行系統的風洞試驗，目前在工程上仍主要以計算驗證為主，可忽略試驗測試投入；延長類增效技術在三方面都需要一定的成本投入，總體設計成本相對偏高。

表1 不同增效技術的成本及效益分析

表2 云南某風電場33臺1.5MW機組葉尖延長前后性能對比表

表3 云南某風電場1.5MW機組葉尖延長后成本分析

表4 云南某風電場1.5MW機組葉尖延長后收益分析

不同增效技術的生產成本取決于原材料成本和模具成本。氣動附件類技術的原材料種類簡單、附件尺寸小、原材料用量少、模具成本低，具有較低的生產成本。葉根延長技術的原材料用量大、模具成本高，并可能帶入成本較高的連接配件，具有較高的生產成本。葉尖延長技術原材料用量、模具成本居中，生產成本相對居中。

不同增效技術的安裝成本取決于安裝工裝成本及安裝方式附加成本。氣動附件類技術工裝簡單，延長類增效技術工裝復雜，但均無過大成本，根據項目實際采用的安裝方式帶來的成本是雙方的共性成本，工廠內安裝時成本較低，風電場安裝時成本較高。同時葉根延長技術在風電場安裝時，需要拆卸原葉片并重新吊裝，所帶來的附加成本較高。

在工程實際中，結合成本投入及實際工程量折算出的批量成本，在經濟性分析中更具有代表性。不同增效技術的批量成本包含可攤銷成本及不可攤銷成本。設計成本及生產成本中的模具成本均可攤銷在批量機組上，帶來的批量成本很小，生產成本中的原材料成本及安裝成本由于不可攤銷，是批量成本的主要來源。葉根延長技術由于高額的安裝成本導致批量成本較高，葉尖延長技術和氣動附件技術批量成本相對較低。

總結工程上常用增效技術的成本及效益水平，葉片延長類增效技術的發電量水平是氣動附件類增效技術的2～3倍，所帶來的效益增量顯著，從工程應用后折算的批量成本上看，葉尖延長增效技術與氣動附件類增效技術具有相近的成本投入，均顯著低于葉根延長增效技術的成本投入。葉尖延長是目前工程應用經濟性最好的技術方案。

葉尖延長案例分析

本文以云南某風電場33臺1.5MW 機組的葉尖延長增效技改為例進行了經濟性分析。該風電場1.5MW機組通過延長葉片長度，增大了風輪掃風面積，延長前后機組性能對比如表2所示。

從表2中可以看出，該風電場1.5MW機組通過延長葉尖的方式增長1.8m，占原葉片長度的4.5%，通過葉尖延長段的氣動設計，保證了葉片發電性能的提升，風能利用系數從0.483提升到0.485，年發電量提升了4.6%。該風電場1.5MW機組在采用葉尖延長增效的技改項目后，機組性能和發電量水平都得到了大幅提升。

該風電場1.5MW機組葉尖延長增效技改項目的成本見表3，收益見表4。該項目為33臺的批量項目，綜合表3和表4可知，相較于技改后的收益，批量后的總成本水平較低。其中，生產成本中雖然包含了不可攤銷的材料成本，但由于葉尖延長技術針對葉片葉尖部分進行氣動外形匹配，而葉尖部分葉型表面積小，材料用量少，沒有給生產成本的攤銷帶來過大負擔，生產成本及開發成本攤銷到每臺機組后的成本均很低。該風電場葉尖延長項目采用的安裝方式為空中安裝，安裝成本中包含了安裝、施工及運費等現場成本投入且不可攤銷，是批量總成本的主要來源。結合技改后機組發電量4.6%的提升水平，每臺機組年收益在13.2萬元左右，批量后每臺的總成本在37萬元左右，3年內即可收回開發成本，體現了葉尖延長增效技術顯著的經濟性優勢。

同時，針對裝有同型號葉片機組的不同風電場，葉尖延長技術具有技術上的通用性，即當在其他安裝同機型機組的風電場中推廣40.3m葉片的葉尖延長技術時，批量總成本可簡化為原材料成本和安裝成本，成本回收周期將進一步縮短。

結語

本文結合工程上常用的兆瓦級風力發電機組葉片增效技術的經濟性水平，分析了葉尖延長增效技術的經濟性。對比分析發現，葉尖延長技術的經濟性優于常用的氣動附件類增效技術及葉根延長增效技術。在批量項目上應用葉尖延長技術后，既保證了業主方的低成本投入，又實現了技改機組發電量的顯著提升。兆瓦級風力發電機組葉片葉尖延長增效技術的進一步市場化推廣，將為風電場的機組增效技改提供一個經濟可靠的方案。

攝影：梁家輝