上海電力設計院有限公司 ■ 楊智奇

1 概況

1.1 背景

可再生能源形式主要有太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、垃圾發(fā)電、生物質發(fā)電、潮汐發(fā)電、地熱能、水利發(fā)電、燃料電池等。而風力發(fā)電是當今世界新能源開發(fā)中技術最成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，由于其在減輕環(huán)境污染、減少溫室氣體排放、促進可持續(xù)發(fā)展方面的突出作用，越來越受到世界各國的高度重視，并得到廣泛的開發(fā)和應用。

1.2 研究內(nèi)容

本文通過分析目前技術較成熟、商業(yè)化運行最多的單機容量1500 kW的水平軸風力發(fā)電機組，選取葉輪直徑87型風電機組在不同地區(qū)、不同風速廓線下，不同輪轂高度下的理論發(fā)電量進行估算，并結合經(jīng)濟性評價，總結出不同地區(qū)不同風況下的最佳輪轂高度匹配性結果，為不同區(qū)域風電場風電機組輪轂高度選擇提供前景預測。

2 風能利用

2.1 風力發(fā)電機組基本原理

風力發(fā)電機組是將風的動能轉換成機械能或電能的裝置。風機風輪葉片在風的作用下產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉，將動能轉換成機械能，再通過傳動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)將機械能轉換成電能[1]。

風輪尾流不旋轉時的動量理論如圖1所示。

連續(xù)性假設：A1V1=AV=A2V2 (1)

圖1 風輪尾流不旋轉時的動量理論

式中，V為平均風速；A為掃風面積；ρ為空氣密度；P為風輪吸收的能量；C為風輪吸收效率。

在理想情況下，風輪最多能吸收59.3%的風動能[2]。

2.2 風能利用

風能可用“風能密度”來描述，空氣在1 s內(nèi)以速度V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風能密度。公式如下：

式中，V1,V2…Vi,…Vn分別為不同高度的風速；Ai為不同高度有效風面積；N為總小時數(shù)；Cp為風能利用系數(shù)。將各高度的風能密度乘以面積相加求和再乘以總時間數(shù)，即可得到總的理論發(fā)電量。

3 風切變對風電機組發(fā)電量的影響

3.1 計算條件假設

1)大氣層結性質為中性層結；

2)風力發(fā)電機掃風面積內(nèi)風速隨高度變化規(guī)律呈指數(shù)分布；

3)風在水平方向無切變；

4)風速頻率分布滿足Weibull分布；

5)空氣密度為標準空氣密度。

3.2 風機發(fā)電量計算方法

由于87型風電機組葉輪直徑約為87 m，將其掃風面積按照1 m的高度進行等分，劃分為87份，假設每等分面積內(nèi)具有相同的風速，則每等分區(qū)域內(nèi)具有的風能為[3]：

根據(jù)目前市場上1.5 MW風機實際情況，基準輪轂高度普遍在70 m，因此本階段選取最低輪轂高度為70 m，而后每次增加輪轂高度1 m，最終輪轂高度達90 m。通過上述輪轂高度的變化，計算出各輪轂高度上掃風面積內(nèi)風能的變化情況，其過程示意圖如圖2所示。

圖2 風機掃風面積風能劃分示意圖

3.3 不同風切變下風速和風能分布

3.3.1 不同風切變下風速分布

根據(jù)目前在建風電場風資源情況，風電場70 m輪轂高度處平均風速一般約為6.5 m/s。為便于分析，本階段假設70 m高度風速為V70=6.5 m/s，分別計算標準風切變α=0.143，以及較小風切變指數(shù)α=0.07和較大風切變指數(shù)α=0.2下的各高度風速，結果見表1。風速廓線如圖3所示。

表1 V70=6.5 m/s各風切變值下不同高度風速(m/s)

圖3 V70=6.5 m/s各風切變值下風廓線示意圖

當V70=6.5 m/s時，不同的風切變值，平均風速隨高度的變化速率不同。風切變指數(shù)越大，隨高度增加風速增加的速率越大。

3.3.2 不同風切變下風能分布

按照公式(7)，計算出各輪轂高度下機組掃風面積范圍內(nèi)所包含的風能,如表2所示。隨著風切變越大，風能隨高度的增加率便越大。

表2 70 m同等風速下不同切變的各輪轂高度的風能

3.4 相同風切變、不同風速條件下風能分布

3.4.1 相同風切變下風速分布

利用標準切變值α=0.143，通過對70 m高度風速為6.5、7.0、7.5 m/s進行等切變遞推，得到各高度下的風速值，結果見表3，風速廓線見圖4。

表3 標準切變下風速隨高度的變化

3.4.2 相同風切變下風能分布

經(jīng)計算，上述3種風速廓線下不同輪轂高度的風能如表4所示。

圖4 相同風切變值下不同風速風廓線示意圖

由表4可知，隨著輪轂高度的增加，風能也相應增加，但增加幅度有所減??；同高度風能的增加率與風速大小無關，與切變指數(shù)相關。

4 不同風切變下輪轂高度比選

4.1 風電場經(jīng)濟效益

影響風電場建設項目經(jīng)濟效益的主要因素包括：風資源、總投資、運營成本及上網(wǎng)電價。為提高風電場的經(jīng)濟效益，需要在合理上網(wǎng)電價的前提下，盡量提高風資源，降低總投資和運營成本，如圖5所示[4]。

表4 標準切變下風速隨高度的變化

隨高度的上升，風速呈逐步增大的趨勢，風功率密度也將隨之提高，因此風機輪轂高度的變化將對發(fā)電量造成顯著變化。單純從獲取更多風能的角度，輪轂高度越高，發(fā)電量也隨之越大。

但當風機輪轂高度增加到一定程度時，盡管發(fā)電量有所提高，但工程的投資和施工技術要求必將同時增加。因此，需對風機輪轂高度的選擇進行經(jīng)濟技術比較，采用適宜風電場的風機輪轂高度，以達到投資優(yōu)化的目的。

圖5 提高風電場經(jīng)濟效益模型示意圖

本階段，分別對風切變指數(shù)為0.07、0.143、0.2情況下的風電場不同輪轂高度下差額內(nèi)部收益率進行比較，以對不同風切變條件下風電場輪轂高度選取進行優(yōu)化。

4.2 發(fā)電量

在3種風切變條件下，不同風速、不同輪轂高度下的發(fā)電量如表5所示。

表5 3種風切變條件下，不同風速、不同輪轂高度下的發(fā)電量計算表

4.3 主要經(jīng)濟費用差額比選

不同風力機輪轂高度，其差別主要有4個方面：風資源、塔架、基礎、施工吊裝。根據(jù)比較分析計算，不同輪轂安裝高度技術經(jīng)濟比較成果見表6～表8。

由比較結果可見，風切變指數(shù)的增加及風電場風力機輪轂高度處平均風速的增加，都可以使增加輪轂高度后風電場年發(fā)電受益增加。選擇更高的輪轂高度后，投資-收益的差額內(nèi)部收益率也逐步增加。

表6 V70=6.5 m/s時各安裝高度技術經(jīng)濟比較成果表

表7 V70=7.0 m/s時各安裝高度技術經(jīng)濟比較成果表

表8 V70=7.5 m/s時各安裝高度技術經(jīng)濟比較成果表

但對于風切變指數(shù)及輪轂高度處平均風速相同的情況，由于發(fā)電量增加量隨著高度的增加逐漸變小，而投資增加量隨著高度的增加逐漸加大，因而投資-收益的差額內(nèi)部收益率會隨著輪轂高度的增加逐漸變小。

5 結論

由以上分析可以看出，塔架高度越高，風電場發(fā)電量越好，但同時投資也增加。根據(jù)風資源水平的不同，投入-產(chǎn)出的差額內(nèi)部收益率也發(fā)生變化。風力機輪轂高度應按照風電場現(xiàn)場風能資源特性及投資費用進行差額比選。一般來說，風電場風力機輪轂高度選取可遵循如下規(guī)律：

1)當風電場現(xiàn)場風切變水平較大時(α>0.2)，應適當增加風電場風力機輪轂高度(H>80 m)，直至輪轂高度增加后，投入-產(chǎn)出的差額內(nèi)部收益率接近基準收益率(一般按10%計)為止，以保證風電場獲得更佳的發(fā)電量受益；

2)當風電場風切變水平較小時(α<0.07)，風電場輪轂高度不宜過高(H<75 m)，根據(jù)當前主流風力機情況，輪轂高度宜在65～75 m之間選擇；

3)當風電場風切變水平適中時，輪轂高度的選擇應同時考慮風電場風資源特性；在一定范圍(不改變IEC等級)下，風電場平均風速較大時，可適當增加風力機輪轂高度。

[1] 李鴻秀, 朱瑞兆. 關于風切變指數(shù)對輪轂高度影響的探討[A]. 第五屆亞洲風能大會論文集[C], 北京, 2008.

[2] 陳欣, 宋麗莉, 黃浩輝, 等. 中國典型地區(qū)風能資源特性研究[J]. 太陽能學報, 2011, 32(3): 331－337.

[3] 顧喬祺. 從風力資源談風力機的選擇[J]. 東莞理工學院學報, 2006, 13(4): 101－108.

[4] 張文寶, 王友. 風電場不同機組技術經(jīng)濟性的分析[J]. 能源技術經(jīng)濟, 2011, 23(3): 46－48, 58.