风电机组选型中的效能评价

文 | 段少俊

风电在我国得到迅速发展，从十几年前示范性开发到今天大规模的建设，特别是近5年来爆发式的增长，虽然在我国“三北”地区风电受到并网送出瓶颈的影响，但我国风电年度新增装机连续保持世界第一，累计装机容量也一举跃升至世界第一，成为名副其实的风电大国。截止2014年9月30日，我国累计装机容量突破1亿kW,累计并网容量8497万kW。同时，也催生了一大批风电机组制造企业。风电机组的单机容量不断创出新高，风电机组的类型也百花齐放，各有千秋，风轮叶片也不断加长，技术不断成熟，造价大幅降低，加之国家大力支持和鼓励开发可再生能源的有力政策，种种因素极大地激起了风电开发商的积极性。无疑，更多的机型也为开发商提供了更多的选择。在风电场开发过程中，所有项目都面临着风电机组选型问题，如何选取适合本工程的风电机组和正确评价风电机组性能，将对风电场未来运营的经济效益以及风能资源利用产生重要影响。

风电机组选型的经济性评价

风电场项目前期阶段，在获取项目详细风能资源后，首要任务就是风电机组选型。在风电机组选型招标或论证中，在满足当地自然环境的条件下，考虑机组的技术、可靠性、质量、以及商务信用等因素，把经济指标放在首位，即单位度电成本最小、投资回报最高作为机组选型的重要指标。作为企业，追逐较高利润，这样的选择固然没错。但是，性价比高的机型未必是效能（即风能吸收转换利用率）最好的风电机组，一些风电机组（特别是低风速风电机组）借助于加长叶片来获得更多的发电量，在获取高性价比的同时，一定是付出其他方面的代价。就好像评价汽车的发动机技术性能一样，不能简单地只比较发电机的最大输出功率，而是看发动机的升功率指标。同样，一些类型的风电机组在同等容量下，为了提高发电量，采取了加大风电机组叶轮长度的做法，这样看起来单机发电量增加了，实际上它是靠占有更多的风能资源而获取的。换句话说，就是在同样面积的资源条件下，将会减少风电场的装机容量。在当今资源日益紧张的形势下，发展集约型资源，减少粗放式开发是风电发展的科学选择。下面就以某风电场机组选型工程实例进行浅析。

我国某风电场经测风塔测得70m高平均风速为7.05m/s,基于计算流体力学原理的WindSim风能计算软件，模拟得出80m高处平均风速为7.98m/s。拟选取的四种机型风电机组的基本参数如表1。

利用计算机软件，基于WASP的WindFarmer、WindPro的平台，在风电场微观选址的基础上，结合风电场风能资源状况以及各机型的标准功率曲线，测算出各机型下风电场的年平均发电量。再综合各机型下风电场的静态投资估算，就可得出单位度电成本。各机型技术经济指标如表2。

由表2比较容易得出，方案4年平均等效发电小时数最高，单位度电成本最低，相比增加投资回收年限也最少，该机型成为最优方案。

风电机组效能分析

众所周知，风电机组是将风能转化成机械能，机械能再转化成电能的过程。因此，电能主要取决于风能，风能的大小由风的大小、空气密度决定。综合分析，影响风电机组的效率主要有叶片吸收风能的气动效应、风电机组控制系统发电措略、发电机转换效率、机械磨损耗能以及机组本体用电设备的能耗等。以下就叶片、齿轮箱以及发电机对风电机组效率的影响进行分析。

表1 各机型主要技术参数表

表2 各机型技术经济指标

一、叶片

叶片的叶形至关重要，它是风能转换为机械能的核心部件，叶形是依据叶素理论和动量原理建模设计而成的。叶片的各处需要同相同的风速相匹配，以保证叶片各处都有较好的侧向推力，但是风速是时刻变化的，为了适应风速的变化，理想的状况就需要叶片随着变化，或者变换叶轮的转速。变速变浆距风电机组的效率较高，相对固定恒速风电机组效率提高20%左右。此外，叶片在风力作用下产生弯曲变形以及表面的光洁度也会对风能的吸收效率产生影响。

二、齿轮箱

表3 各机型技术经济指标

齿轮箱在风电机组中主要起到升速作用，以保证发电机具有较好的发电效率。由于发电机要做到相对较轻并且节省材料，就选用较少的磁极对数，为了和电网频率保持一致，就需要较高的转速。因此，齿轮箱也叫升速箱。齿轮箱内部主要是传动运转，所发生的能量损耗主要是齿轮间的摩擦产生损耗和发热，影响因素主要是齿轮间的间隙配合、润滑等。此外，齿轮箱的轴承也会造成功耗的增加。

三、发电机

发电机基本属于成熟产品，近年来由于风电机组齿轮箱故障以及现场维修困难的原因，一些风电机组厂商致力于开发永磁直流发电机，旨在减掉齿轮箱，减少风电机组由于齿轮箱的故障引起发电损失以及产生较高的维修成本。从发电机的结构和发电原理而言，发电机的转换效率较高，一般可达95%左右。其能量损失主要是电磁转化、磁漏、电机发热以及轴承损耗等。从目前的制造和技术进步来看，发电机技术成熟，质量稳定，可靠性较高。

由此可见，风电机组是一个由空气动力、机械动力和电力技术组成的一个系统工程。因此，衡量风电机组的整体效率的参数最终还是效能转换系数，在工程实际中可以采用单位扫风面积年平均发电量指标来代替。通过上例比较如表3。

表3数据分析显示，四种型号风电机组效能最好的是WTG3型风电机组，最低的是WTG4，而单位度电成本最低的是WTG4型风电机组，最高的是WTG3，从另一个角度来看，这也反映了经济学的一个客观规律：在产品初期，技术性能优良的产品其价格往往较高，只有当规模化生产、销量大幅增长后其价格就会降低，其优势才会体现出来。通过市场调研，由于WTG4型风电机组暂无工程应用，且价格优势不明显，出于投资安全考虑，排除在外。WTG1型风电机组，其单位度电成本和效能均排在第二位，性价比（效能提升%/度电成本增加%）也最高，为2.66，通过市场调研，该机型比较成熟，性能稳定。综合各种因素，推荐使用WTG1。

结语

风能是一种可再生的清洁能源，也是一种宝贵的自然资源，其可开发的区域和土地也是有限的。在风电场开发过程中，风电机组选型对投资回报和风能资源的高效利用起着至关重要的作用。因此，在风电场风电机组选型时，需要考虑风电机组的单位度电成本、质量、服务外，同时兼顾风电机组的效能指标。风电机组的效能指标越高，即是风电机组的风能利用率越高，也就是在同等面积的土地上，可以安装更多容量的风电机组，产生更多的发电量。反过来说，就是安装同样容量的风电机组，可以节约土地和风能资源。