存量風力發(fā)電機組發(fā)電量提升方案研究

【關鍵詞】風力發(fā)電機組；機組控制；發(fā)電量提升

引言

目前，國內外針對風力發(fā)電機組發(fā)電量提升的研究主要集中在以下幾個方面：一是通過優(yōu)化風力發(fā)電機組的空氣動力學設計，提高風能利用率；二是改進風力發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，提高運行效率；三是通過對風力發(fā)電機組的維護和管理，延長設備壽命，提高發(fā)電量。然而，這些研究主要針對新建風力發(fā)電機組，對于存量風力發(fā)電機組的發(fā)電量提升研究相對較少。本研究旨在針對存量風力發(fā)電機組，探討通過技術改進、管理優(yōu)化等手段，提高發(fā)電量的可行性和實施路徑，為我國風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展提供技術支持和決策參考。

一、存量風力發(fā)電機組現(xiàn)狀分析

（一）存量風力發(fā)電機組的基本情況

截至2023年，我國風力發(fā)電機組行業(yè)已經(jīng)取得了顯著的成就，形成了較大的市場規(guī)模。根據(jù)2023-2030年風力發(fā)電機組行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀及投資前景展望報告，我國風力發(fā)電機組行業(yè)在政策扶持和市場需求的雙重推動下，已經(jīng)建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括原材料供應、零部件制造、整機組裝以及運營維護等各個環(huán)節(jié)。在產(chǎn)業(yè)鏈上游，原材料市場以鋼鐵、有色金屬、環(huán)氧樹脂和玻璃纖維等為主。鋼鐵市場的供需規(guī)模及價格走勢對整個行業(yè)產(chǎn)生重要影響。而在有色金屬市場，銅和鋁的供需情況及其價格走勢同樣牽動著行業(yè)的敏感神經(jīng)[1]。此外，環(huán)氧樹脂和玻璃纖維作為風力發(fā)電機組的重要材料，其市場供需及價格走勢也對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在中游的零部件制造環(huán)節(jié)，風力發(fā)電機組的各個核心零部件，如葉片、塔架、發(fā)電機等，其質量和性能直接關系到整個風力發(fā)電機組的性能和效率。在下游的運營維護環(huán)節(jié)，隨著存量風力發(fā)電機組的不斷增加，如何提高機組的運行效率、降低維護成本、延長機組壽命等問題日益凸顯，對整個行業(yè)的技術水平和服務的專業(yè)性提出了更高的要求。

（二）存量風力發(fā)電機組的發(fā)電效率

在存量風力發(fā)電機組中，不同型號和不同年齡的機組其發(fā)電效率存在一定的差異。一般來說，新型號、高塔架的機組因其風能利用率更高、技術更成熟，其發(fā)電效率相對較高。而一些老舊機組，由于技術落后、維護不當?shù)仍颍浒l(fā)電效率可能較低。影響存量風力發(fā)電機組發(fā)電效率的因素還有很多，如機組的安裝位置、風向、風速、機組本身的性能等。因此，對于存量風力發(fā)電機組的發(fā)電效率提升，需要綜合考慮這些因素，通過技術升級、優(yōu)化運行維護等方式來實現(xiàn)。

（三）存量風力發(fā)電機組存在的問題

盡管我國風力發(fā)電機組行業(yè)取得了顯著的成就，但在存量風力發(fā)電機組中也存在一些問題。首先，部分存量風力發(fā)電機組的性能和技術水平相對落后，無法滿足當前行業(yè)的發(fā)展需求。這不僅限制了整個行業(yè)的進步，也影響了我國風力發(fā)電機組的出口業(yè)務。其次，由于存量風力發(fā)電機組的數(shù)量不斷增加，其運營維護成本也在不斷提高[2]。如何降低維護成本、提高維護效率，是整個行業(yè)需要面對的問題。最后，隨著風力發(fā)電機組規(guī)模的擴大，如何提高機組的可靠性和安全性，確保發(fā)電效率和人員安全，也是行業(yè)需要重點關注的問題。

二、風力發(fā)電機組發(fā)電量影響因素分析

（一）風力資源評估與機組選址

風能資源的分布與特性是影響風力發(fā)電機組發(fā)電量的基礎因素。全球范圍內，風能資源主要集中在兩個區(qū)域：一是位于赤道兩側的副熱帶高壓帶，這里的風速較高，但風向多變，對風力發(fā)電不利；二是位于極地附近的副極地低壓帶，這里的風速雖然較低，但風向穩(wěn)定，更適合風力發(fā)電。在我國東南沿海地區(qū)雖然風能資源相對較少，但由于其經(jīng)濟發(fā)達，對能源的需求大，因此風力發(fā)電機組的裝機容量較高。風能資源的特性主要包括風速和風能密度。風速是衡量風能資源發(fā)電潛力的直接指標，一般而言，風速越高，發(fā)電效率越高。而風能密度則是指單位體積空氣所具有的風能，它與風速的立方成正比。因此，在評估風能資源時，需要綜合考慮這兩個因素。

風力發(fā)電機組的選址直接關系到風能的利用效率和發(fā)電量。選址地區(qū)的風速和風能密度應滿足風力發(fā)電機組的設計要求，以確保較高的發(fā)電效率。平坦的地形有利于風能的聚集和傳輸，減少風能損失。同時，避免選址在山區(qū)、丘陵等地形復雜區(qū)域，以減少風能的消耗。機組選址應便于運輸和維護，降低建設和運營成本。避免在生態(tài)敏感區(qū)和人口密集區(qū)選址，減少對環(huán)境和居民的影響[3]。選址地區(qū)應具備便捷的電網(wǎng)接入條件，確保發(fā)電量的有效利用。通過對風力發(fā)電機組選址的優(yōu)化，可以提高風能的利用效率，從而增加發(fā)電量。此外，在實際運行過程中，還需根據(jù)當?shù)仫L能資源的實時變化，對發(fā)電機組進行調整和優(yōu)化，以實現(xiàn)最大化的發(fā)電效益。

（二）風力發(fā)電機組技術性能分析

風力發(fā)電機組根據(jù)不同的分類標準，可以分為多種類型。按照風能轉換的方式，它們可以被分為水平軸和垂直軸兩種類型。根據(jù)安裝的地點，又可以分為陸上和海上兩種。此外，按照葉片的數(shù)量，還有單葉片和多葉片之分。盡管這些風力發(fā)電機組的類型各不相同，但它們的工作原理大致相同。它們都是利用風能來驅動葉片的旋轉，通過葉片與風的相互作用，將風能轉化為機械能，最后通過發(fā)電機將機械能轉化為電能。在所有類型中，水平軸風力發(fā)電機組是目前最廣泛應用的一種，其葉片多為螺旋狀，通過葉片的旋轉來驅動發(fā)電機，從而產(chǎn)生電能。

風力發(fā)電機組的發(fā)電量與其技術性能參數(shù)密切相關。主要的技術性能參數(shù)包括風輪直徑、風輪轉速、額定風速、切出風速、額定功率、切入風速等。風輪直徑是風力發(fā)電機組的重要參數(shù)之一，它直接影響到機組的捕風能力和發(fā)電量。通常情況下，風輪直徑越大，機組的發(fā)電量越高。然而，風輪直徑的增加也會帶來一系列的挑戰(zhàn)，如制造成本的增加、運輸和安裝的困難等。風輪轉速也是影響發(fā)電量的重要參數(shù)[4]。風輪轉速的增加可以提高機組的發(fā)電量，但過高的轉速也會帶來一系列的問題，如噪音增加、葉片疲勞壽命降低等。額定功率和切入風速也是影響發(fā)電量的重要參數(shù)。額定功率是指機組在額定風速下能夠發(fā)出的最大功率，而切入風速是指機組開始發(fā)電的最小風速。風力發(fā)電機組的發(fā)電量與其技術性能參數(shù)密切相關，合理的選型和參數(shù)設置可以提高機組的發(fā)電量，降低運行成本，提高投資回報率。

三、存量風力發(fā)電機組發(fā)電量提升策略

（一）技術改造與升級

1.葉片優(yōu)化與空氣動力學改進

葉片的優(yōu)化設計對風力發(fā)電機組的發(fā)電效率有著直接的影響。通過對葉片形狀、尺寸和材質的優(yōu)化，可以降低阻力，提高升力，從而增加發(fā)電量。此外，采用先進的空氣動力學技術，如動態(tài)失速控制和氣流分離控制，可以進一步提高葉片的氣動性能，實現(xiàn)更高的發(fā)電效率。

2.控制系統(tǒng)升級與智能化改造

對風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)進行升級和智能化改造是提升其運行效率和可靠性的關鍵途徑。通過引入更高級的控制技術和傳感器，能夠實現(xiàn)對風速、風向和負載的實時監(jiān)控與精準調節(jié)。進一步地，借助人工智能和大數(shù)據(jù)分析的能力，我們能夠對風力發(fā)電機組進行遠程監(jiān)控，并預測潛在的故障，這不僅能夠提高發(fā)電的效率，還能有效減少維護成本。

3.發(fā)電機組并網(wǎng)技術與電能質量提升

并網(wǎng)技術是風力發(fā)電與電網(wǎng)連接高效性的關鍵所在。通過使用前沿的并網(wǎng)技術和電力電子設備，可以實現(xiàn)發(fā)電機組的快速啟動、負載分配和頻率調整，這有助于提升發(fā)電效率和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。此外，電能質量的提升也同樣重要，例如通過無功補償和濾波器的設計，可以減少電網(wǎng)的損耗，進而提高電能的利用效率。

（二）運行優(yōu)化與控制策略

1.風能預測與機組調度優(yōu)化

風能預測是對風力發(fā)電機組發(fā)電量進行有效管理的基礎。通過對風速、風向、氣壓等氣象數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，預測未來一段時間內的風能資源情況，從而為機組調度提供依據(jù)。機組調度優(yōu)化是根據(jù)風能預測結果，結合發(fā)電機組的狀態(tài)、電網(wǎng)需求等信息，合理安排機組的發(fā)電計劃，提高發(fā)電效率和電網(wǎng)的供電質量。通過風能預測與機組調度優(yōu)化的結合，可以有效降低因風力不穩(wěn)定導致的發(fā)電波動，提高風力發(fā)電的可靠性和經(jīng)濟性。

2.最大功率跟蹤控制策略

最大功率跟蹤控制策略（Maximum Power PointTracking，MPPT）是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一，其目的是使發(fā)電機組在風速變化時，始終運行在最大功率點附近，從而提高發(fā)電效率。最大功率點是指風電機組在某一風速下，葉片攻角和風速的組合使得發(fā)電機輸出的功率達到最大值的點。MPPT控制器通過實時監(jiān)測機組的功率和風速，調整葉片的攻角，使機組始終運行在最大功率點附近。這樣可以有效提高風能利用率，增加發(fā)電量。

3.遠程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)建設

遠程監(jiān)控與故障診斷技術在風力發(fā)電機組的運行管理中扮演著至關重要的角色。該技術通過采集關鍵的運行數(shù)據(jù)，如風速、發(fā)電功率、葉片角度和機艙溫度等，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對發(fā)電機組的遠程監(jiān)控和管理。在遠程監(jiān)控中心，通過分析處理這些數(shù)據(jù)，可以實時監(jiān)控機組的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)任何異常情況，并進行故障診斷和預警。此外，該系統(tǒng)還能為維護工作提供指導，幫助制定維護計劃，從而提升維護的效率和質量。通過建立這一系統(tǒng)，可以有效降低風力發(fā)電機組的運行成本，并提升其可靠性和經(jīng)濟性。

（三）維護管理與預防性維護

1.定期維護與保養(yǎng)計劃

對于存量風力發(fā)電機組的發(fā)電量提升，定期維護與保養(yǎng)計劃是至關重要的。通過制定詳細的維護與保養(yǎng)計劃，可以確保風力發(fā)電機組在良好的狀態(tài)下運行，從而提高發(fā)電量。定期檢查風力發(fā)電機組的各個部件，如葉片、塔架、傳動系統(tǒng)等，確保其正常運行；定期更換潤滑油，以減少磨損和摩擦，延長設備使用壽命；定期清洗風力發(fā)電機組的葉片和塔架，以保持其最佳的風阻系數(shù)；定期檢查并調整風力發(fā)電機組的平衡，以確保其穩(wěn)定運行；定期對風力發(fā)電機組進行電氣系統(tǒng)檢查，以保證其安全可靠運行。

2.預防性維護策略與故障診斷

實施預防性維護對于確保風力發(fā)電機組的高效運行至關重要。通過采用這種維護策略和故障診斷，能夠及時識別并處理任何潛在問題，進而提升發(fā)電效率。這涉及對風力發(fā)電機組進行狀態(tài)監(jiān)測，實時搜集必要數(shù)據(jù)，分析其運行狀況，以便及時察覺任何異常。此外，故障診斷技術的應用能夠實現(xiàn)對機組故障的快速識別，并據(jù)此制定有效的維修計劃。通過建立故障預測模型，可以基于運行數(shù)據(jù)和歷史故障記錄來預測可能出現(xiàn)的故障，并提前采取預防措施[5]。定期檢測風力發(fā)電機組的關鍵部件，如葉片、塔架和傳動系統(tǒng)，也是確保其安全可靠運行的重要手段。這些措施共同作用，有助于降低維護成本并提高風力發(fā)電機組的整體運行效率。

3.維護成本分析與優(yōu)化

在風力發(fā)電機組的運營過程中，維護成本是一個不容忽視的要素。通過深入分析與優(yōu)化這部分成本，不僅可以減少開支，還能提升發(fā)電效率。具體來說，對維護成本的詳細記錄和分析至關重要，這涉及人工成本、材料成本以及維修設備成本等多個方面。為了降低維護成本，可以探索各種機會，例如，通過采購高質量的原材料和提高維護工作的效率來減少維護成本支出。此外，優(yōu)化維護計劃和流程也是降低成本的有效途徑，這包括減少不必要的維護工作，從而提高維護效率。同時，利用先進的技術和工具，如無人機和機器人，可以在確保維護安全性的同時，進一步提升維護工作的效率。這些措施將共同作用，有助于實現(xiàn)風力發(fā)電機組運行成本的降低和發(fā)電效率的提升。

結束語

總而言之，本文通過對存量風力發(fā)電機組發(fā)電量提升方案的研究，深入探討了影響發(fā)電量的關鍵因素和相應的提升策略。通過綜合性的方案實施，我們有望有效提升存量風力發(fā)電機組的發(fā)電量，推動風力發(fā)電行業(yè)的健康發(fā)展。然而，值得注意的是，發(fā)電量提升并非一蹴而就的過程，需要行業(yè)內外各方面的共同努力和持續(xù)創(chuàng)新。未來，我們期待通過技術創(chuàng)新、政策支持和行業(yè)合作，進一步推動風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，為實現(xiàn)全球能源結構轉型和可持續(xù)發(fā)展目標做出更大貢獻。同時，我們也期待更多的研究者和從業(yè)者加入這一領域的研究中，共同推動風力發(fā)電技術的進步和應用。