风力发电机组叶尖延长增效技术的经济性分析

（作者单位：邹立伟，宋之燕：中科宇能科技发展有限公司；魏敏：浙江运达风电股份有限公司）

目前，市场应用较广泛的兆瓦级风力发电机组叶片的增效技术包括气动附件技术和叶片延长技术，气动附件技术包括涡流发生器、襟翼和扰流板等，叶片延长技术包括叶根延长技术和叶尖延长技术。叶尖延长增效技术基于传统的动量叶素理论，通过增大风轮扫风面积实现机组增效，具有增效效益显著、应用成本低的特点，目前已在国内试点风电场实现了样机试运行、批量安装等应用，在下一步的市场化推广中，其技术的可靠性及经济性将成为人们关注的重点，本文在简述叶尖延长增效原理的基础上，着重进行了叶尖延长增效技术的经济性分析，包括与工程上常用增效技术的经济性对比分析及在工程案例上的经济性分析。

叶尖延长增效原理

兆瓦级风力发电机组叶片叶尖延长增效技术是基于传统的动量叶素理论，通过增大风轮扫风面积实现叶片的增效。在风力发电机组叶片设计中，我们把风力机吸取风能的系统简化为经典的致动盘模型，结合致动盘模型上、下游的质量守恒定律、动量守恒定律及空气的伯努利方程，可以得到风力发电机组有效功率与风轮扫风面积的关系式：

式中：P为风力发电机组的有效功率；a为表征叶片轴向速率变化的轴向诱导因子；ρ为设计空气密度；v为风轮上游无穷远处风速；s为风轮扫风面积。

由公式可知，功率P与设计空气密度ρ、风轮扫风面积s、风轮上游来流风速v及叶片轴向诱导因子a相关，即风力发电机组叶片的出功受风资源情况及叶片设计两方面影响。假设在相同的风资源条件（设计空气密度相同，风轮来流风速相同）下，当通过优化叶片设计实现叶片轴向诱导因子水平相近时，影响叶片出功的核心因素是风轮扫风面积。兆瓦级风力发电机组叶片叶尖延长后将增加叶片长度，增大风轮扫风面积，达到风力发电机组增功的目的。

不同增效技术经济性对比分析

本文以工程上常用的兆瓦级风力发电机组增效技术为例，分析了不同增效技术的成本及效益水平。兆瓦级风力发电机组增效技术应用的成本包含设计成本、生产成本和安装成本，并可依据实际工程项目折算成直观的批量成本。兆瓦级风力发电机组增效技术应用的效益水平体现在机组发电量提升方面（见表1）。

根据设计原理不同，不同增效技术的发电量提升幅度体现出相应差异。通过提高叶片风能利用系数为理论基础增效的涡流发生器、襟翼、扰流板等气动附件技术，受到原叶片流场水平及流场优化程度的限制，年发电量提升幅度保持在1%～2%；通过延长叶片长度的叶根及叶尖延长技术，延长后风轮扫风面积得到了大幅提高，年发电量水平实现了3%～5%的大幅度增长。

不同增效技术的设计成本包含了设计环节中的人力成本投入、固定资产投入及试验测试投入。气动附件类技术设计成本主要集中于人力成本投入和固定资产投入，由于气动附件类的测试通常需要进行系统的风洞试验，目前在工程上仍主要以计算验证为主，可忽略试验测试投入；延长类增效技术在三方面都需要一定的成本投入，总体设计成本相对偏高。

表1 不同增效技术的成本及效益分析

表2 云南某风电场33台1.5MW机组叶尖延长前后性能对比表

表3 云南某风电场1.5MW机组叶尖延长后成本分析

表4 云南某风电场1.5MW机组叶尖延长后收益分析

不同增效技术的生产成本取决于原材料成本和模具成本。气动附件类技术的原材料种类简单、附件尺寸小、原材料用量少、模具成本低，具有较低的生产成本。叶根延长技术的原材料用量大、模具成本高，并可能带入成本较高的连接配件，具有较高的生产成本。叶尖延长技术原材料用量、模具成本居中，生产成本相对居中。

不同增效技术的安装成本取决于安装工装成本及安装方式附加成本。气动附件类技术工装简单，延长类增效技术工装复杂，但均无过大成本，根据项目实际采用的安装方式带来的成本是双方的共性成本，工厂内安装时成本较低，风电场安装时成本较高。同时叶根延长技术在风电场安装时，需要拆卸原叶片并重新吊装，所带来的附加成本较高。

在工程实际中，结合成本投入及实际工程量折算出的批量成本，在经济性分析中更具有代表性。不同增效技术的批量成本包含可摊销成本及不可摊销成本。设计成本及生产成本中的模具成本均可摊销在批量机组上，带来的批量成本很小，生产成本中的原材料成本及安装成本由于不可摊销，是批量成本的主要来源。叶根延长技术由于高额的安装成本导致批量成本较高，叶尖延长技术和气动附件技术批量成本相对较低。

总结工程上常用增效技术的成本及效益水平，叶片延长类增效技术的发电量水平是气动附件类增效技术的2～3倍，所带来的效益增量显著，从工程应用后折算的批量成本上看，叶尖延长增效技术与气动附件类增效技术具有相近的成本投入，均显著低于叶根延长增效技术的成本投入。叶尖延长是目前工程应用经济性最好的技术方案。

叶尖延长案例分析

本文以云南某风电场33台1.5MW 机组的叶尖延长增效技改为例进行了经济性分析。该风电场1.5MW机组通过延长叶片长度，增大了风轮扫风面积，延长前后机组性能对比如表2所示。

从表2中可以看出，该风电场1.5MW机组通过延长叶尖的方式增长1.8m，占原叶片长度的4.5%，通过叶尖延长段的气动设计，保证了叶片发电性能的提升，风能利用系数从0.483提升到0.485，年发电量提升了4.6%。该风电场1.5MW机组在采用叶尖延长增效的技改项目后，机组性能和发电量水平都得到了大幅提升。

该风电场1.5MW机组叶尖延长增效技改项目的成本见表3，收益见表4。该项目为33台的批量项目，综合表3和表4可知，相较于技改后的收益，批量后的总成本水平较低。其中，生产成本中虽然包含了不可摊销的材料成本，但由于叶尖延长技术针对叶片叶尖部分进行气动外形匹配，而叶尖部分叶型表面积小，材料用量少，没有给生产成本的摊销带来过大负担，生产成本及开发成本摊销到每台机组后的成本均很低。该风电场叶尖延长项目采用的安装方式为空中安装，安装成本中包含了安装、施工及运费等现场成本投入且不可摊销，是批量总成本的主要来源。结合技改后机组发电量4.6%的提升水平，每台机组年收益在13.2万元左右，批量后每台的总成本在37万元左右，3年内即可收回开发成本，体现了叶尖延长增效技术显著的经济性优势。

同时，针对装有同型号叶片机组的不同风电场，叶尖延长技术具有技术上的通用性，即当在其他安装同机型机组的风电场中推广40.3m叶片的叶尖延长技术时，批量总成本可简化为原材料成本和安装成本，成本回收周期将进一步缩短。

结语

本文结合工程上常用的兆瓦级风力发电机组叶片增效技术的经济性水平，分析了叶尖延长增效技术的经济性。对比分析发现，叶尖延长技术的经济性优于常用的气动附件类增效技术及叶根延长增效技术。在批量项目上应用叶尖延长技术后，既保证了业主方的低成本投入，又实现了技改机组发电量的显著提升。兆瓦级风力发电机组叶片叶尖延长增效技术的进一步市场化推广，将为风电场的机组增效技改提供一个经济可靠的方案。

摄影：梁家辉