微風(fēng)速風(fēng)機(jī)特征風(fēng)速及風(fēng)輪大小選擇的研究

黃愛武

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

A Study of Basic Parameters of Breeze Turbines

HUANG Aiwu

(Xuchang Xuji Wind Power Technology Co.,Ltd.,Xuchang 461000,China)

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微風(fēng)速風(fēng)機(jī)特征風(fēng)速及風(fēng)輪大小選擇的研究

黃愛武

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

AStudyofBasicParametersofBreezeTurbines

HUANGAiwu

(XuchangXujiWindPowerTechnologyCo.,Ltd.,Xuchang461000,China)

摘要：根據(jù)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)技術(shù)研究相對(duì)薄弱的特點(diǎn)，通過比對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，給出我國(guó)中東部地區(qū)微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速特征參數(shù)以及適宜的空氣密度特征參數(shù)，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)不足的空白；進(jìn)而研究了2 MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速的確定辦法，以及2 MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪大小、切入風(fēng)速、切出風(fēng)速的計(jì)算和選取方法；最后，通過提出CP-v曲線擬合假說，從業(yè)主的投資與收益角度出發(fā)，給出一種風(fēng)機(jī)風(fēng)輪大小選擇的方法和輔助參考。

關(guān)鍵詞：微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)；仿真；額定風(fēng)速；風(fēng)輪大小；CP-v曲線

0　引言

微風(fēng)速風(fēng)機(jī)可分為高原型和非高原型，其中高原型風(fēng)機(jī)，由南車風(fēng)電在2008年率先進(jìn)行了研發(fā)；非高原型風(fēng)機(jī)，由遠(yuǎn)景能源在2009年推出了首臺(tái)微風(fēng)速機(jī)型。國(guó)內(nèi)風(fēng)電主要通過許可證生產(chǎn)、聯(lián)合開發(fā)和合資生產(chǎn)等方式獲得生產(chǎn)技術(shù)，大多數(shù)企業(yè)不具備獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)風(fēng)電整機(jī)的能力，缺乏基礎(chǔ)研究和人才積累，自主研發(fā)能力不足，配套零部件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平較低[1]。研發(fā)時(shí)期的準(zhǔn)備不足而導(dǎo)致的一系列問題以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的不穩(wěn)定現(xiàn)象，逐漸暴露出來[2]。在這種背景下，類比研發(fā)的MW級(jí)微風(fēng)速風(fēng)機(jī)，同樣存在基礎(chǔ)性研究滯后和不扎實(shí)的問題。

為此，首先對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，以填補(bǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足的空白，進(jìn)而，針對(duì)國(guó)內(nèi)近年研發(fā)的微風(fēng)速風(fēng)機(jī)風(fēng)輪大小不一等情況[3]，重點(diǎn)研究了具有發(fā)展?jié)摿Φ?MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)。

1　微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)的現(xiàn)狀

目前，我國(guó)MW級(jí)風(fēng)機(jī)塔筒高度多在80m，但國(guó)內(nèi)較權(quán)威的《中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估報(bào)告(2009)》[4]中尚沒有該高度的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)資源數(shù)據(jù)；另外，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院于2014年9月25日完成《各省(區(qū)、市)風(fēng)能資源開發(fā)規(guī)劃研究報(bào)告》[5]。報(bào)告中也僅提出70m高度風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量統(tǒng)計(jì)要求。據(jù)此分析，我國(guó)風(fēng)場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究，較風(fēng)機(jī)的研發(fā)滯后。

為此，借鑒國(guó)外風(fēng)機(jī)認(rèn)證規(guī)范GL2010[6]，對(duì)屬于特殊風(fēng)場(chǎng)的微風(fēng)速風(fēng)機(jī)(S類)，也沒有給出相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)特征數(shù)據(jù)。因此，國(guó)內(nèi)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)幾乎空白。

2　微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速特征的確定

在風(fēng)場(chǎng)中，年平均風(fēng)速Vave最能反映風(fēng)資源情況，是有效利用風(fēng)能的重要參數(shù)之一；參考風(fēng)速Vref及風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的湍流強(qiáng)度，是防范風(fēng)機(jī)倒塔[7]或主要部件損壞等重大風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的重要參數(shù)。

以我國(guó)中東部地區(qū)10m高年平均風(fēng)速為6m/s的微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)為對(duì)象，研究上述相關(guān)參數(shù)。

2.1微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的特征參數(shù)初擬

解讀GL2010規(guī)范中關(guān)于風(fēng)場(chǎng)等級(jí)劃分[6]和《風(fēng)電場(chǎng)安全風(fēng)速計(jì)算方法研究》的相關(guān)數(shù)據(jù)[7]，可以看出：

a.I、II、III類風(fēng)場(chǎng)中，其參考風(fēng)速與年平均風(fēng)速的比值恒定，均為Vref/Vave=5。

b.50年一遇極端風(fēng)速與年平均風(fēng)速的比值恒定，均為Vmax/Vave=7。

據(jù)此，可初步推斷，對(duì)于年平均風(fēng)速為6m/s的微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)，初擬其參考風(fēng)速Vref=30m/s；50年一遇極端風(fēng)速Vmax50為42m/s，湍流因子A,B等仍沿襲GL2010中的表述。

2.2微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速分布

據(jù)有關(guān)資料[8]，對(duì)風(fēng)速分布相對(duì)集中的風(fēng)場(chǎng)，采用威布爾分布模型就基本能夠描述這類風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)速情況。我國(guó)的風(fēng)場(chǎng)符合此條件，為此，擬研究威布爾分布函數(shù)[6]：

(1)

PW(Vhub)為威布爾累積概率分布函數(shù)；Vhub為風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)速;C為威布爾分布的尺度參數(shù);K為威布爾分布的形狀參數(shù)。

(2)

Vave為風(fēng)機(jī)輪轂處的年平均風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速垂直切變規(guī)律，可由風(fēng)場(chǎng)附近10m高氣象站的年平均風(fēng)速和輪轂高度估算出。

2.2.1中東部地區(qū)風(fēng)速的垂直切變規(guī)律

大約在300m之下的高度內(nèi)，平均風(fēng)速隨高度的增加而增加。這一切變規(guī)律可用指數(shù)律的關(guān)系式更好地?cái)M合[9]。其指數(shù)律為：

(3)

VZave為離地高度Z處的平均風(fēng)速；Z為離地高度；VZ10ave為離地參考高度Z10處的平均風(fēng)速；Z10為離地10 m的高度；α為風(fēng)速廓線指數(shù)。

在GL2010中，通常取α=0.2[6]。參考我國(guó)風(fēng)況研究資料，海面風(fēng)速廓線平均指數(shù)值α=0.14；內(nèi)陸平原平坦地形α=0.17[10]。根據(jù)中東部地區(qū)沖積平原地貌的特點(diǎn)，取α=0.17。

2.2.2輪轂(塔筒)高度的選取

目前，2 MW風(fēng)機(jī)的塔高為80～90 m，風(fēng)輪大小從82～114 m不等[3]。因風(fēng)輪越大，葉尖上下的風(fēng)速差別越大，為減少這些差別，現(xiàn)對(duì)塔高和葉尖風(fēng)速綜合研究。對(duì)80 m和90 m輪轂高度處的年平均風(fēng)速，由式(3)及α=0.17，經(jīng)Matlab仿真，可得結(jié)果如圖1所示。

圖1　風(fēng)速在風(fēng)輪(直徑為110 m)上的垂直切變

由圖1可看出，塔高90 m時(shí)，其葉尖風(fēng)速差別小于2 m/s，而塔高80 m時(shí)，其葉尖風(fēng)速差別大于2 m/s。由于風(fēng)載與風(fēng)速的平方成正比[6]，葉尖風(fēng)速差別越小，風(fēng)輪的附加傾覆力矩就越小，越有利于風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。因此，直徑為110 m的風(fēng)輪宜選取90 m的塔高。

由式(3)，可得塔高90 m處的輪轂?zāi)昶骄L(fēng)速為：

VZ90ave=90.17×VZ10ave≈1.45VZ10ave

(4)

VZ90ave為塔高90 m處的年平均風(fēng)速；VZ10ave為當(dāng)?shù)貧庀笳?0 m處的年平均風(fēng)速。

2.2.3風(fēng)場(chǎng)輪轂處的風(fēng)速概率密度分布

由式(2)和式(4)，可知90 m輪轂處的風(fēng)速分布為：

PR(Vhub)=1-exp{-π[Vhub/(2×

1.45VZ10ave)]2}

(5)

針對(duì)風(fēng)場(chǎng)附近10 m高氣象站的年平均風(fēng)速VZ10ave，由式(5)，經(jīng)Matlab仿真，可得到微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)塔高90 m處的風(fēng)速分布特征曲線及特征值，仿真結(jié)果如圖2所示。

通過圖2可以直觀看出當(dāng)微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)中的參考

圖2　微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)塔高90m處風(fēng)速分布特征

風(fēng)速為30 m/s時(shí)，其發(fā)生概率已經(jīng)接近0。但考慮風(fēng)機(jī)20年運(yùn)行期間的安全，對(duì)于微風(fēng)速地區(qū)(S類)，用90 m輪轂處年平均風(fēng)速進(jìn)行修訂，可得到微風(fēng)速地區(qū)風(fēng)場(chǎng)特征風(fēng)速如表1所示。

表1　微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的特征風(fēng)速　m/s

2.3微風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的空氣密度的確定

根據(jù)《中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估報(bào)告(2009)》的研究表明，距沿海30～100 km之間，風(fēng)速基本恒定[4]，空氣濕度受海洋影響程度也將降低；另?yè)?jù)有關(guān)資料表明[11]，我國(guó)中東部地區(qū)的大氣壓力基本恒定在100 kPa左右，此時(shí)，可僅考慮海拔和溫度的影響，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算空氣密度：

ρ=(353.05/Tave)×e[-0.034×(Zave/Tave)]

(6)

Tave為風(fēng)場(chǎng)年平均氣溫；Zave風(fēng)場(chǎng)平均海拔高度加輪轂高度。

據(jù)有關(guān)資料[11-12]，并結(jié)合編程計(jì)算，可得冬春季節(jié)平均空氣密度ρ=1.257 kg/m3，夏季平均空氣密度ρ=1.213 6 kg/m3。考慮夏季風(fēng)濕度大，空氣密度也會(huì)適當(dāng)加大的特點(diǎn)，選取我國(guó)中東部地區(qū)的空氣密度為ρ=1.25 kg/m3。

3　微風(fēng)速風(fēng)機(jī)的特征參數(shù)

3.1微風(fēng)速風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的擬定

風(fēng)機(jī)的收益由上網(wǎng)發(fā)電量Ewt和上網(wǎng)電價(jià)決定。上網(wǎng)發(fā)電量Ewt為：

Ewt=Pwt·te

(7)

te為風(fēng)機(jī)的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)；Pwt為風(fēng)機(jī)的額定功率，即風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量。

因te往往低于預(yù)期,如表2所示[13]，為獲得更多的發(fā)電量Ewt，宜于研發(fā)大容量風(fēng)機(jī)。根據(jù)目前的技術(shù)水平，3 MW以上的微風(fēng)速風(fēng)機(jī)風(fēng)輪過大，主軸軸承的制造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)暫不成熟，所以，從技術(shù)相對(duì)成熟的1.5 MW和2 MW風(fēng)機(jī)[3]中，選取單機(jī)容量Pwt為2 MW的風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象。

表2　典型機(jī)型下的幾種風(fēng)能資源上網(wǎng)發(fā)電量

3.2微風(fēng)速風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速的選取

為避免風(fēng)機(jī)頻繁變槳，保證穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速宜與風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)頻最大的風(fēng)速值對(duì)應(yīng)。由圖2可看出，風(fēng)頻概率最大處出現(xiàn)在9～10 m/s之間。

據(jù)有關(guān)資料研究表明[14]，由于額定風(fēng)速的提高，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)71.4%的部件成本相應(yīng)提高。因此，額定風(fēng)速的選取不宜過高。為此，研究擬選微風(fēng)速風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速為Vrat=9 m/s。

3.3微風(fēng)速機(jī)組風(fēng)輪大小的計(jì)算

風(fēng)機(jī)風(fēng)輪大小與風(fēng)機(jī)單機(jī)容量Pwt相關(guān)，由貝茨風(fēng)能捕獲理論[15]，以及風(fēng)機(jī)的傳遞效率η，可得風(fēng)輪直徑為:

(8)

Pwt為風(fēng)機(jī)單機(jī)容量，取Pwt=2 000 000 W。

η為風(fēng)機(jī)傳遞到電網(wǎng)的總效率，為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率η1、發(fā)電機(jī)的效率η2、變流器和變壓器等傳到電網(wǎng)的效率η3的乘積；因2 MW風(fēng)機(jī)總效率通常大于ηmin=0.97×0.97×0.85≈80%，為計(jì)算方便和取值合理，現(xiàn)取平均運(yùn)行效率η=0.9。

Vrat為風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速，取Vrat=9 m/s。

CPmax為風(fēng)輪的風(fēng)能最大利用系數(shù)，貝茨極限為0.593，通過葉片翼型的設(shè)計(jì)可得實(shí)際最優(yōu)值為0.52[15],取實(shí)際最優(yōu)值0.52。

ρ為空氣密度，取ρ=1.25 kg/m3。

這樣，可得2 MW微風(fēng)速機(jī)組風(fēng)輪大小為：

(9)

據(jù)此，我國(guó)中東部地區(qū)的2MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑選取為110m為宜。

3.4微風(fēng)速風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速的計(jì)算

切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)所有的消耗功率約為風(fēng)機(jī)額定功率的1%，處于上網(wǎng)發(fā)電的臨界狀態(tài)，即此時(shí)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能全部用于風(fēng)機(jī)的自身消耗。

由貝茨風(fēng)能捕獲理論[15]，可知：

(10)

Vin為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速。

現(xiàn)取風(fēng)輪直徑為D2MW=110 m，其他參數(shù)按前述，可推導(dǎo)出風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速Vin

=4.015≈4

(11)

由式(11)，我國(guó)中東部地區(qū)的2 MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速選取為4 m/s為宜 。

3.5微風(fēng)速風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速的討論

由圖2及大數(shù)定律可知，在26.7 m/s以下的風(fēng)速可包含99.74%以上風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)速。這些風(fēng)速如果均被有效利用，可最大程度地提高風(fēng)機(jī)的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)te。因此，切出風(fēng)速應(yīng)盡量接近于26.7 m/s。

基于風(fēng)機(jī)安全考慮，常見的Vout為20 m/s或25 m/s，這里建議選取Vout=25 m/s。

4　選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)輪大小的方法

4.1微風(fēng)速風(fēng)機(jī)CP-v關(guān)系的擬合假說

據(jù)有關(guān)資料[14]，將某1.2 MW風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)的風(fēng)速與CP值擬合曲線如圖3，可以看出，其與瑞利概率密度分布曲線相似。

由此，考慮CP-v曲線也用瑞利分布曲線擬合。則可得到如下關(guān)系：

(12)

圖3　某1.2 MW風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)的CP值CP-v的關(guān)系擬合

4.2風(fēng)輪大小的選擇

風(fēng)輪大小的計(jì)算流程如圖4所示。

因目前標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.61 元/(kW·h)，扣除運(yùn)行和維護(hù)成本約0.11 元/(kW·h)，最大收益

圖4　風(fēng)輪大小初選的計(jì)算流程

為0.50元/(kW·h)；一般風(fēng)機(jī)5年后因更換油品等易造成運(yùn)維成本激增。因此，考慮5年內(nèi)總投資與收支平衡，對(duì)投資按10%進(jìn)行折現(xiàn)，從2 MW風(fēng)機(jī)葉片直徑80 m開始，計(jì)算一種5年后收支平衡點(diǎn)為0處對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪大小。

輸入某風(fēng)場(chǎng)50 000 kW的風(fēng)電場(chǎng)總投資成本3億元，折現(xiàn)率10%，風(fēng)機(jī)平均競(jìng)標(biāo)價(jià)為4500元/kW，風(fēng)場(chǎng)年平均溫度為12 ℃，平均海拔為300 m，風(fēng)場(chǎng)附近氣象站年平均風(fēng)速為6 m/s，切入風(fēng)速為4 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s等數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行編制的程序，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5　運(yùn)行實(shí)例的風(fēng)速擬合及收益狀況

由圖5可知，上述風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)輪直徑110 m的2 MW微風(fēng)速風(fēng)機(jī)可在5年內(nèi)收回成本。

5　結(jié)束語

由上述研究可知，對(duì)于我國(guó)中東部微風(fēng)速地區(qū)，宜定義為風(fēng)場(chǎng)附近氣象站年平均風(fēng)速不超過6 m/s，年平均空氣密度為1.25 kg/m3，年風(fēng)速不超過42.5 m/s、50年一遇極大風(fēng)速不超過59.5 m/s；宜開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以2 MW為主，其額定風(fēng)速為9 m/s，切入風(fēng)速4 m/s，切出風(fēng)速25 m/s，風(fēng)輪大小為110 m；對(duì)于風(fēng)輪大小的選擇，也可根據(jù)創(chuàng)新的CP-v擬合算法, 從收益平衡角度通過編程選擇，這一方法法也可供設(shè)計(jì)人員輔助參考。

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Abstract:In view of the lack of current research on wind power and the present situation of China, the characteristic parameters of the wind fields in Central-Eastern China are given by comparing national and foreign data. This paper fills a gap in the research on national breeze wind turbines by calculating basic parameters for the breeze turbine, such as rated wind speed, the wind wheel diameter, the cut-in and cut-out wind speeds of 2 MW turbines. Finally, by providing a hypothesis on the closest fit CP-v curve, and analyzing from the perspective of the owner’s investment and return on investment, this paper provides a method and a reference source for selecting the wind wheel size of a breeze speed fan.

Key words:wind field; simulation; rated wind speed; wind wheel size;CP-v curve

作者簡(jiǎn)介：黃愛武(1969-)，男，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，兼職教授，主要從事風(fēng)機(jī)高級(jí)過程質(zhì)量控制、風(fēng)電齒輪箱研發(fā)等工作。

收稿日期：2015-01-05

文章編號(hào)：1001-2257(2015)06-0038-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):TK81