摘 要:風(fēng)電設(shè)備選型已經(jīng)成為影響風(fēng)電項目投資行為的主要因素之一。通過對風(fēng)電設(shè)備選型的主要技術(shù)指標額定風(fēng)速的理論分析、公式計算, 通過對風(fēng)電設(shè)備選型、風(fēng)電設(shè)備投資等主要經(jīng)濟指標進行不同組合的方案研究,提出了風(fēng)電設(shè)備設(shè)計選型時簡單而有效的評價方法,揭示了風(fēng)電設(shè)備選型組合方案與風(fēng)電投資規(guī)模效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系,能更好地提高風(fēng)電項目的經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞:風(fēng)電項目;設(shè)備選型;技術(shù)經(jīng)濟分析
引 言
2006年, 中國的風(fēng)電裝機容量達到了135萬kW, 實現(xiàn)了當(dāng)年約106.7%的增長速度。截至2006年底,中國風(fēng)電裝機容量達到了2599MW,低于丹麥的3136MW,排名第六位[1]。 伴隨著風(fēng)電裝機規(guī)模的高速增長, 風(fēng)電設(shè)備及零部件呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的狀況,風(fēng)電設(shè)備的價格也出現(xiàn)了較大的波動。在現(xiàn)有上網(wǎng)電價的情況下,風(fēng)電設(shè)備選型已經(jīng)成為影響風(fēng)電項目投資行為的主要因素之一。
中國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用相對落后于歐美,風(fēng)電設(shè)備選型時應(yīng)關(guān)注的主要技術(shù)經(jīng)濟指標還沒有較好的評價和分析方法。風(fēng)電設(shè)備選型技術(shù)指標上,目前依據(jù)的主要是風(fēng)電的相關(guān)標準和規(guī)范,而選型時對風(fēng)電場風(fēng)能資源與風(fēng)電設(shè)備額定風(fēng)速的關(guān)系沒有簡單有效的分析方法;風(fēng)電設(shè)備選型主要經(jīng)濟指標上,評價和分析風(fēng)電項目時比較關(guān)注上網(wǎng)電價、固定投資和設(shè)備利用率等主要指標,而對影響風(fēng)電項目投資較大的指標,如風(fēng)電設(shè)備選型的組合對固定資產(chǎn)的影響、風(fēng)電設(shè)備選型與風(fēng)電項目投資規(guī)模效應(yīng)之間的關(guān)系較少引起重視。通過對風(fēng)能利用效率原理分析,提出簡單確定風(fēng)電場額定風(fēng)速的計算公式,提供風(fēng)電設(shè)備選型參考;通過應(yīng)用運籌學(xué)原理及對相關(guān)經(jīng)濟指標概率統(tǒng)計的設(shè)計,揭示了風(fēng)電設(shè)備選型組合方案與風(fēng)電項目投資規(guī)模效應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文正是通過上述分析,提出了風(fēng)電設(shè)備選型設(shè)計的一種新型有效、實用簡單的評價方法和分析途徑。
1 風(fēng)電設(shè)備選型的技術(shù)分析
中國幅員遼闊,南北風(fēng)資源差別較大,按目前引進的歐美風(fēng)機技術(shù)及其標準制造的風(fēng)電設(shè)備,其還需要有一個對本土化風(fēng)資源適應(yīng)性研究的過程。
按照現(xiàn)行變漿距風(fēng)力發(fā)電機的最大功率捕獲原理,風(fēng)力發(fā)電機從切入風(fēng)速(Cut-in wind speed)到額定風(fēng)速(Rated wind speed)這一過程中,通過變漿技術(shù)可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機工況下的最優(yōu)化,從實際風(fēng)速分布統(tǒng)計情況來看,風(fēng)力發(fā)電機運行得最多的時段也基本上是集中在這一工況下,且這一工況下的出力為最多。風(fēng)力發(fā)電機從切入風(fēng)速到風(fēng)力發(fā)電機達到額定功率時的最優(yōu)風(fēng)能捕獲[2]曲線。
隨著風(fēng)速v的增加,通過控制葉片變漿,即改變?nèi)~片的迎風(fēng)攻角,可以保持風(fēng)力發(fā)電機在各個風(fēng)速nmax時達到其出力最大化Pmax,圖1中用幾條風(fēng)速曲線表達了這一變化過程。而在實際工作中,一般將測得的逐時風(fēng)速按風(fēng)頻數(shù)來統(tǒng)計,一個典型風(fēng)場的風(fēng)速分布為一個威布爾(Weibull)分布及其瑞利(Rayleigh)分布,分別列出了陸上(Onshore)和海上(Offshore)風(fēng)速典型分布[3]情況。
其中威布爾(weibull)分布所控制分布寬度的形狀參數(shù)K值和控制平均風(fēng)速分布的尺度參數(shù)A值是實際工作中主要關(guān)注的兩個參數(shù)[2,4]。一般來說,在弄清風(fēng)電場址區(qū)的風(fēng)速分布情況后,會根據(jù)平均風(fēng)速值、湍流計算值和極大風(fēng)速推算值等,以及風(fēng)力發(fā)電機組分級[4,5]的相關(guān)規(guī)定,來確定風(fēng)力機組及主要部件的選型。從安全的角度來說,這種做法是值得肯定的,但隨著風(fēng)電設(shè)備裝機規(guī)模的不斷擴大,越來越多的專業(yè)人士對風(fēng)力發(fā)電機出力這一指標給予了高度關(guān)注。而決定某臺風(fēng)力發(fā)電機出力的指標就是其對風(fēng)能的捕獲能力和利用效率, 所關(guān)注的這些參數(shù)與風(fēng)能資源緊密相關(guān)。圖1表明,在實況中,進入額定風(fēng)速區(qū)后,同功率機型之間的出力差別不大,而風(fēng)力發(fā)電機大部分時間都是在額定風(fēng)速以下區(qū)間運行,不同風(fēng)力發(fā)電機的出力差別則主要集中在額定風(fēng)速以下的區(qū)間,因此對額定風(fēng)速的確定直接關(guān)系某臺風(fēng)力發(fā)電機的出力指標。
在一個風(fēng)電場區(qū)的風(fēng)能資源參數(shù)已定的情況下,為了達到最優(yōu)出力,風(fēng)電設(shè)備選型的一個重要技術(shù)指標就是確定其額定風(fēng)速VN。通過不同風(fēng)場、多臺風(fēng)力發(fā)電機的出力對比研究發(fā)現(xiàn),VN取值為A和K值的乘積,即VN=A×K是一個最簡單而有效的計算公式。如圖2中的陸上風(fēng)電場風(fēng)電設(shè)備應(yīng)選取額定風(fēng)速VN為12~13m/s,而海上風(fēng)電場區(qū)風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)選取額定風(fēng)速VN為15~16m/s?;趯@一點的理解,風(fēng)力發(fā)電機安裝在海上時可以越來越大型化,因為其要求的額定風(fēng)速相對比較高,而安裝在陸上的風(fēng)力發(fā)電機卻不能一味求大,單機功率過大的風(fēng)力發(fā)電機即使采用了很多先進技術(shù),如加大其低風(fēng)速的捕風(fēng)性能,但由于其額定風(fēng)速較高,因而犧牲了整機性能,將得不償失。