風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速的選擇研究

潘慧慧，李永光

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，風(fēng)能作為一種清潔、無污染的可再生能源，其技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速.在風(fēng)電場建設(shè)中，風(fēng)機(jī)選型過程是關(guān)乎投資和效益的重要步驟，而選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)尤為關(guān)鍵.其中，額定風(fēng)速的選取對于風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本有非常重要的作用.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速是計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率的依據(jù)，它決定了風(fēng)輪直徑等主要部件的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，并將影響風(fēng)機(jī)的制造成本和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體性能.若該數(shù)值過大，機(jī)組將很少達(dá)到額定功率，降低了發(fā)電機(jī)的效率，提高了能量成本;若數(shù)值過小，將增大風(fēng)輪直徑，使得風(fēng)輪及其輔助成本偏高.從額定功率來考慮，一般變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速與年平均風(fēng)速之比約為1.7;而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到相同額定功率的風(fēng)速要高一些，其額定風(fēng)速與年平均風(fēng)速之比為2.0 以上［1］.

林俊烈［2］以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的年總發(fā)電量的最大值為目標(biāo)，得出了額定風(fēng)速與年平均風(fēng)速具有非線性關(guān)系的結(jié)論.張海平［3］根據(jù)風(fēng)速的Weibull分布，推導(dǎo)出了額定風(fēng)速與Weibull雙參數(shù)c和K的關(guān)系式.以上研究僅是以風(fēng)資源狀況為基礎(chǔ)，沒有考慮到額定風(fēng)速對風(fēng)輪直徑和風(fēng)機(jī)成本的影響.本文以充分利用風(fēng)資源為原則，研究了額定風(fēng)速對額定功率、年發(fā)電量、葉片幾何尺寸，以及機(jī)組成本的影響情況，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速的選擇提供了科學(xué)依據(jù).

1 風(fēng)速的分布規(guī)律

描述風(fēng)速的數(shù)值分布模型主要有雙參數(shù)威布爾分布、三參數(shù)威布爾分布、瑞利分布等.其中，雙參數(shù)威布爾曲線最符合風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律［4］.它屬于單峰的正偏態(tài)分布函數(shù)，其概率密度函數(shù)為:

式中:k——形狀參數(shù);

c——尺度參數(shù)，m/s.

在實(shí)際應(yīng)用中，一般依據(jù)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來確定威布爾參數(shù)值，進(jìn)而求取平均值風(fēng)速及其標(biāo)準(zhǔn)方差σ，表達(dá)式為:

依據(jù)威布爾分布的均值和方差近似關(guān)系式，可以得出:

2 額定風(fēng)速的相關(guān)因素

目前，普遍采用的確定額定風(fēng)速的方法可以表示為［3］:

2.1 額定風(fēng)速和額定功率的關(guān)系

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率為［5］:

式中:ρ——空氣密度;

A——風(fēng)輪橫掃面積;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù).

由式(7)可知，額定功率與額定風(fēng)速的3次方成正比，另外還與當(dāng)?shù)氐目諝饷芏?、掃風(fēng)面積、風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān).

2.2 額定風(fēng)速和風(fēng)輪直徑的關(guān)系

若已知一臺(tái)效率為η，風(fēng)輪直徑為d的風(fēng)機(jī)，其額定功率為:

風(fēng)輪直徑與額定風(fēng)速的關(guān)系為:

由式(9)可知，適當(dāng)提高額定風(fēng)速，可以減小風(fēng)輪直徑.但隨著風(fēng)輪直徑的增大，輪轂重量也會(huì)增加，其安裝難度和費(fèi)用也會(huì)增加.

2.3 額定風(fēng)速和理論年發(fā)電量的關(guān)系

若已知當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的威布爾分布函數(shù)，全年有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)為T，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全年的理論發(fā)電量為:

將式(1)代入式(10)，整理后得:

式中:vi，vr，vf——切入風(fēng)速，額定風(fēng)速，切出風(fēng)速.

若某地區(qū)的風(fēng)速分布已知，形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)c為常數(shù)，切入、切出風(fēng)速一般情況下也為定值.當(dāng)風(fēng)輪直徑一定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其效率為η時(shí)，實(shí)際年發(fā)電量可以表示為:

由式(12)可知，年發(fā)電量與風(fēng)速特性和風(fēng)機(jī)各參數(shù)有直接關(guān)系，而與額定功率沒有必然聯(lián)系.

2.4 額定風(fēng)速和機(jī)組成本的關(guān)系

FINGERSH L等人［6］提出，風(fēng)輪造價(jià) y(元)與葉片半徑r(m)成指數(shù)關(guān)系，可以表示為:

由式(13)可知，適當(dāng)提高額定風(fēng)速，可以減小風(fēng)輪直徑，從而降低造價(jià).

3 確定額定風(fēng)速的工程實(shí)例

本文所研究的區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特后旗烏力吉蘇木附近，風(fēng)電場中心西距烏力吉蘇木約19 km，東距旗府賽烏素鎮(zhèn)約27 km，西南距海力素約28 km，海拔高度約為1 630 m.選用1#測風(fēng)塔2006年9月1日至2007年8月31日完整性較好的連續(xù)一年的測風(fēng)數(shù)據(jù)，對該地區(qū)的風(fēng)況進(jìn)行分析.

風(fēng)電場70m高度測風(fēng)年測得的月平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度分布狀況如表1所示.

表1 70m高度測風(fēng)年測得的逐月平均風(fēng)速及風(fēng)功率密度

風(fēng)電場70m高度測風(fēng)年測得的全年風(fēng)向頻率和風(fēng)能頻率如表2所示.

由計(jì)算得到該風(fēng)場各高度的風(fēng)速頻率分布Weibull模式擬合參數(shù)c和k，如表3所示.

該地區(qū)風(fēng)能資源豐富，對照風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法(GB/T 18710—2002)中風(fēng)功率密度等級(jí)表，本風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級(jí)屬4級(jí).70 m高度年平均風(fēng)速為8.0 m/s，全年平均風(fēng)功率密度為486.6 W/m2，有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)為7 898 h(3～25 m/s);10 m高度年平均風(fēng)速為6.2 m/s，全年平均風(fēng)功率密度為224.1 W/m2，有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)為7 786 h(3～25 m/s).

表2 70m高度測風(fēng)年測得的全年風(fēng)向和風(fēng)能頻率

表3 各高度Weibull分布曲線參數(shù)

所擬選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度集中在65～70 m，則額定風(fēng)速按式(6)計(jì)算可得:

不同額定風(fēng)速與滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)的關(guān)系如圖1所示.

由圖1可知，隨著額定風(fēng)速的增加，達(dá)到滿負(fù)荷的小時(shí)數(shù)逐漸減少.

假設(shè)風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率為0.6，當(dāng)?shù)乜諝饷芏葹?1.04 kg/m3.將上述各參數(shù)代入式(9)、式(12)及式(13)，計(jì)算得到不同額定風(fēng)速時(shí)的風(fēng)輪直徑、年平均上網(wǎng)電量，以及葉片的價(jià)格，如表4所示.

由表4可以看出，降低額定風(fēng)速，需要增加葉片半徑.葉片越長，運(yùn)輸轉(zhuǎn)彎半徑要求越大，而對項(xiàng)目現(xiàn)場的道路寬度和周圍障礙物的要求也越高.另外，起吊重量越大的吊車本身移動(dòng)時(shí)對橋梁道路要求也越高，租金也較貴［7，8］.總之，生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本將顯著增加，同時(shí)也提高了工藝難度.

圖1 額定風(fēng)速和滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)的關(guān)系

表4 不同額定風(fēng)速下的各參數(shù)

表4中的計(jì)算結(jié)果表明，相同的單機(jī)容量，隨著額定風(fēng)速的下降，年發(fā)電量呈增大的趨勢，并且年發(fā)電量與額定風(fēng)速成線性關(guān)系.單從這一角度來看，相同的單機(jī)容量，額定風(fēng)速越小越好，而綜合考慮葉片的價(jià)格時(shí)，結(jié)論并非如此.

據(jù)資料顯示，一般情況下葉片的成本占總成本的15% ～25%.假設(shè)1.5 MW風(fēng)電機(jī)組的成本為600萬元，則不同額定風(fēng)速vr下葉片價(jià)格占總成本的比率如表5所示.

表5 不同額定風(fēng)速下葉片價(jià)格占總成本的比率

由表5可以看出，額定風(fēng)速為8～10 m/s時(shí)，葉片的價(jià)格占總成本的百分比已經(jīng)超過了30%，這表明葉片成本過高，因此該范圍內(nèi)的額定風(fēng)速不宜采用.本文取11 m/s為額定風(fēng)速較為合理，葉片價(jià)格所占的比率20%在15%～25%合理范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)的方法計(jì)算得到的額定風(fēng)速為12 m/s.由表3可知，額定風(fēng)速為11 m/s與12 m/s相比，雖然葉片成本提高了36.93萬元，但是每年的年發(fā)電量增加了707 MW，即提高了15%，大大增加了經(jīng)濟(jì)收益.

無論低風(fēng)速資源區(qū)還是高風(fēng)速資源區(qū)，都應(yīng)綜合考慮成本和發(fā)電量，對相同的單機(jī)容量，應(yīng)盡量選擇額定風(fēng)速低的風(fēng)機(jī).盡管增大了葉片的半徑，增加了成本，但發(fā)電量大大增加，總體來說，效益較好.

4 結(jié)論

(1)在單機(jī)容量一定的情況下，額定風(fēng)速與年發(fā)電量成線性關(guān)系;

(2)工程實(shí)例中，按照本文的分析方法得出的最佳額定風(fēng)速為11 m/s，與傳統(tǒng)方法得出的最佳額定風(fēng)速12 m/s相比，雖然增加了葉片的成本，但每年的發(fā)電量提高了15%，大大提高了風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性，表明本文的計(jì)算方法更加合理;

(3)在選擇最佳額定風(fēng)速時(shí)，不僅要以風(fēng)況為基礎(chǔ)，還需要綜合考慮發(fā)電量、成本等因素，這樣才能充分利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源，最大限度地發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，同時(shí)盡可能地降低成本，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.

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