低風(fēng)速風(fēng)電應(yīng)用研究

宋海輝,王建軍

(上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,上海 201209)

0 引言

風(fēng)能作為清潔的可再生能源,在自然界中取之不盡、用之不竭,風(fēng)能利用已逐漸成為很多國家能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

目前,我國風(fēng)能開發(fā)主要集中在風(fēng)能資源豐富的高風(fēng)速地區(qū),如三北地區(qū)(東北、華北、西北)和東南沿海等地,此類區(qū)域面積僅占全國風(fēng)能可開發(fā)面積的10%,而且風(fēng)能資源雖豐富,但由于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),無法消納足夠的風(fēng)電資源,常出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象,需建設(shè)強(qiáng)大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大容量的風(fēng)電輸送。而對(duì)于風(fēng)能資源較豐富和可利用的低風(fēng)速區(qū)卻幾乎沒有開發(fā),此類區(qū)域面積約占全國風(fēng)能可開發(fā)面積的68%,且均接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)。低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電的開發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的就地轉(zhuǎn)化和利用、彌補(bǔ)常規(guī)風(fēng)能利用手段的不足、補(bǔ)充化石能源的短缺以及對(duì)能源消耗結(jié)構(gòu)的調(diào)整有重要的作用[1]。

根據(jù)對(duì)地理和氣象資料的分析,我國低風(fēng)速風(fēng)能資源豐富且分布區(qū)域廣大,而現(xiàn)在主流風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段出力隨風(fēng)速的變化明顯,即功率曲線的斜率較大,相對(duì)于高風(fēng)速風(fēng)電(HWSP)項(xiàng)目而言,低風(fēng)速風(fēng)電(LWSP)項(xiàng)目內(nèi)風(fēng)能資源評(píng)估的精度,對(duì)項(xiàng)目發(fā)電收益的影響更大。低風(fēng)速風(fēng)能資源臨近用電負(fù)荷中心,并網(wǎng)條件較好,開發(fā)利用此類風(fēng)能資源成為目前我國風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)方向之一,并成為我國實(shí)現(xiàn)2020年節(jié)能減排目標(biāo)及可再生能源發(fā)展目標(biāo)的重要補(bǔ)充力量[2]。

本文提出開發(fā)應(yīng)用低風(fēng)速風(fēng)電,探討和研究了低風(fēng)速風(fēng)電開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)及低風(fēng)速應(yīng)用過程中的核心問題,為低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究及開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 LWSP特點(diǎn)及開發(fā)必要性與優(yōu)勢

所謂LWSP,是指機(jī)位點(diǎn)輪轂高度上年平均風(fēng)速在5.3～6.5 m/s之間,年利用時(shí)間在2000 h以下的平原區(qū)域或相應(yīng)風(fēng)功率密度的高原區(qū)域內(nèi)可開發(fā)風(fēng)能資源,其一年內(nèi)風(fēng)速介于3～7 m/s的頻率較高,如圖1所示。風(fēng)頻分布曲線圖表明(其中,p為風(fēng)頻,無量綱;v為風(fēng)速,m/s):

(1)低風(fēng)速區(qū)域(vave=5 m/s)風(fēng)速(v)變化范圍窄,集中在5 m/s附近(3～7 m/s之間);

圖1 風(fēng)頻分布曲線(10 m高)Fig.1 Wind-frequency distribution curve(at 10 m height)

(2)低風(fēng)速區(qū)域陣風(fēng)頻率高,風(fēng)速變化梯度大;

(3)低風(fēng)速區(qū)域湍流強(qiáng)度大。

2011年,國家能源局通過發(fā)布《分散式接入風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見》,對(duì)分散式風(fēng)電項(xiàng)目的定義、核準(zhǔn)審批、項(xiàng)目規(guī)模等做了較為明確的要求。這意味著我國的風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略將由主要發(fā)展大型風(fēng)電基地轉(zhuǎn)為大型風(fēng)電基地與分散式開發(fā)并舉。作為兩個(gè)不同范疇方式的定義,風(fēng)電的分散式開發(fā)并不完全等同于低風(fēng)速風(fēng)電場建設(shè),但由于在對(duì)風(fēng)電的分散式開發(fā)中將更多地利用低風(fēng)速資源,所以低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組在分散式開發(fā)大舉推進(jìn)的同時(shí)越發(fā)受到市場關(guān)注[2-4]。

開發(fā)LWSP資源具有如下優(yōu)勢[5]:

(1)低風(fēng)速區(qū)域可開發(fā)面積廣,開發(fā)潛能巨大;

(2)低風(fēng)速區(qū)域臨近負(fù)荷中心,降低了電能輸送成本,有利于風(fēng)能的消納;

(3)低風(fēng)速風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低,且機(jī)組單位造價(jià)勢必隨著大規(guī)模推廣而大幅降低;

(4)低風(fēng)速風(fēng)電電價(jià)高,增大了開發(fā)商的盈利空間,根據(jù)《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》,一類區(qū)域風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)僅為0.51元/(kW·h),二類為0.54元/(kW·h),三類為0.58元/(kW·h),四類則為0.6l元/(kW·h),同時(shí)各地在標(biāo)桿電價(jià)基礎(chǔ)上還有財(cái)政補(bǔ)貼。

2 LWSP開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

LWSP開發(fā)利用的核心在于低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組。低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組是建立在對(duì)基礎(chǔ)機(jī)型改進(jìn)的基礎(chǔ)上的,但絕非僅僅加長葉片、增大風(fēng)輪直徑那么簡單,而是對(duì)現(xiàn)有機(jī)型的一次較大的技術(shù)革新[5-6]。

2.1 低風(fēng)速風(fēng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 加長葉片、增大風(fēng)輪直徑

下式為風(fēng)能公式:

式中:P為風(fēng)輪輸出的功率;Cp為風(fēng)輪的功率系數(shù);A為風(fēng)輪掃掠面積;ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;R為風(fēng)輪半徑。

當(dāng)風(fēng)輪直徑加倍時(shí),風(fēng)輪從氣流中吸收的能量增加4倍,故增大風(fēng)輪直徑可增大機(jī)組對(duì)風(fēng)能的吸收。

2.1.2 葉片翼型參數(shù)優(yōu)化

在原有葉片翼型的基礎(chǔ)上,通過加長葉片、增大風(fēng)輪直徑等方法獲取更大風(fēng)能,必將導(dǎo)致機(jī)組受力增大、強(qiáng)度降低、機(jī)組成本增加等諸多問題。風(fēng)能轉(zhuǎn)換中起關(guān)鍵作用的是葉片翼型,優(yōu)化翼型參數(shù)對(duì)提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、降低機(jī)組成本、均衡機(jī)組受力是一種行之有效的方法。

基于遺傳算法的翼型優(yōu)化方法原理是在原有翼型參數(shù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建上下表面幾何型函數(shù),選擇厚度系數(shù)和彎度系數(shù)為控制變量,通過遺傳復(fù)制、交叉、變異操作,產(chǎn)生進(jìn)化種群,再導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算分析軟件進(jìn)行氣動(dòng)性能分析,獲取更大升阻比的葉片翼型,從而獲得高升力優(yōu)化翼型。

圖2所示為某葉片翼型氣動(dòng)性能分析圖(翼型周圍壓強(qiáng)分布云圖)。圖中,翼型上表面由遠(yuǎn)離到靠近翼型頭部的壓力逐漸減小,下表面由遠(yuǎn)離到靠近翼型頭部的壓力逐漸增大,翼型表面的氣流速度不同,翼型上、下方所受的壓力也不同。該翼型的負(fù)壓區(qū)域主要集中在翼型上表面前中部;而翼型下表面的前中部處于深色區(qū)域,表明壓力較大?？偟暮狭礊橐硇驮诹鲃?dòng)空氣中受到的空氣動(dòng)力,此力可分解為升力和阻力,壓強(qiáng)差越大,產(chǎn)生的升力就越大。

圖2 葉片翼型氣動(dòng)性能分析(壓強(qiáng)/Pa)Fig.2 Analysis of aerodynamic performance of blade airfoil(pressure/Pa)

2.2 增加塔架高度

增加塔架高度,可以使風(fēng)輪獲得更高的風(fēng)速,從而進(jìn)一步提高低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率。在近地層中,由于地面的摩擦效應(yīng)和熱力因素,風(fēng)速隨高度的增加而變大,這種變化服從普朗特經(jīng)驗(yàn)理論公式,經(jīng)過推導(dǎo)可以得出冪定律公式:

式中:vn為Zn高度處風(fēng)速(m/s);v1為Z1高度處風(fēng)速(m/s);Z為離地高度(m);a為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)(風(fēng)切變指數(shù))。

風(fēng)速垂直變化取決于a值,某機(jī)位處的a值是與當(dāng)?shù)氐孛娲植诙扔嘘P(guān)的常數(shù)。增加塔架高度,可以使機(jī)組獲得更大的轉(zhuǎn)換風(fēng)能。

2.3 優(yōu)化配套發(fā)電機(jī)參數(shù)

高風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段出力隨風(fēng)速的變化明顯(如圖3所示),即功率曲線在低風(fēng)速段斜率較大。優(yōu)化發(fā)電機(jī)參數(shù)和配套發(fā)電機(jī)容量,可使功率曲線向左平移,實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速下高容量運(yùn)行,提高發(fā)電效率。

圖3 高風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組功率曲線圖Fig.3 High-wind-speed wind turbine power curve

2012年底,國內(nèi)部分廠家研發(fā)出大功率高速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。相比低速永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī),高速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)減少了磁極對(duì)數(shù)和齒槽轉(zhuǎn)矩,磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子,減少了總機(jī)械應(yīng)力,提高了機(jī)械強(qiáng)度,優(yōu)化了低速輸出功率,在低風(fēng)速階段發(fā)電效率有顯著提高,并使機(jī)組具備低電壓穿越能力,供電品質(zhì)大幅提高。

2.4 優(yōu)化控制系統(tǒng)控制策略

LWSP切入風(fēng)速低、湍流強(qiáng)度大、陣風(fēng)影響大,必須針對(duì)低風(fēng)速風(fēng)況制定有效的控制策略,優(yōu)化控制算法及低風(fēng)速發(fā)電量提升的優(yōu)化方法?？刂撇呗缘膬?yōu)化可以從以下3方面入手。

(1)降低風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速,使風(fēng)電系統(tǒng)最大限度地獲取風(fēng)能。

(2)解決高湍流和陣風(fēng)對(duì)風(fēng)輪捕獲效率的影響,加大測風(fēng)頻率和精度,優(yōu)化提升發(fā)電量。

(3)針對(duì)低風(fēng)速風(fēng)況創(chuàng)新構(gòu)建機(jī)組模型,優(yōu)化電控系統(tǒng)控制算法,獲得LWSP機(jī)組最大功率捕獲的優(yōu)化控制策略[6]。

2.5 提高風(fēng)電場微觀選址和機(jī)組排列布置的精度

低風(fēng)速風(fēng)電場微觀選址和機(jī)組排列布置的精度,在宏觀上決定了LWSP的利用效率。增加測風(fēng)點(diǎn)、延長測風(fēng)時(shí)間、提高測風(fēng)精度、提高風(fēng)電場微觀選址和機(jī)組排列布置的精度、精心考慮障礙物和地表粗糙度的影響、提高風(fēng)能資源評(píng)估的精度、合理地布置機(jī)組、優(yōu)化電氣設(shè)備布置、減小場內(nèi)電能傳輸損耗,能夠顯著提高LWSP的利用效率。圖4為風(fēng)電場微觀選址示意圖(曲線表示等高線,單位為m;顏色條表示風(fēng)速,單位為m/s)。

3 低風(fēng)速風(fēng)電應(yīng)用

3.1 低風(fēng)速風(fēng)電場

在城市遠(yuǎn)郊地區(qū),低風(fēng)速的開闊地帶可建設(shè)低風(fēng)速風(fēng)電場,容量根據(jù)實(shí)際評(píng)估情況配置。由于靠近負(fù)荷中心,風(fēng)電容易消納,減少了輸送成本,同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也大大降低,使低風(fēng)速風(fēng)電場可以取得很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

圖4 風(fēng)電場微觀選址(風(fēng)速/(m·s?1))Fig.4 Wind farm micro-siting(wind speed/(m ·s?1))

圖5 分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)Fig.5 Distributed renewable energy power generation system

3.2 分布式新能源發(fā)電

在城市較開闊地帶、城鄉(xiāng)接合部的低風(fēng)速風(fēng)能較豐富地段,可設(shè)置2到3臺(tái)或單臺(tái)大中型低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組,采用分布式布置,結(jié)合太陽能、生物質(zhì)能等其他新能源,組成分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)(如圖5所示)。此外,應(yīng)就地統(tǒng)籌消化電能,避免遠(yuǎn)距離傳輸,或組建智能微網(wǎng),實(shí)現(xiàn)新能源的高效利用。

3.3 戶用型低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組

LWSP的第3種利用型式是戶用型布置。該型式相對(duì)較靈活,既可在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用,也可設(shè)置在城市狹窄區(qū)域,通常布置中小型LWSP機(jī)組,其所產(chǎn)生的電能一般就地消化,無需上網(wǎng),大大提高風(fēng)能的利用效率。戶用型布置一方面可推進(jìn)綠色可再生能源的使用、減輕人們?cè)谀茉捶矫娴呢?fù)擔(dān),同時(shí)還可美化景觀、培育廣大公民的節(jié)能環(huán)保意識(shí)。

4 結(jié)論

低風(fēng)速風(fēng)電作為我國大部分地區(qū)風(fēng)能資源的表現(xiàn)形式,開發(fā)潛力巨大,具有靠近負(fù)荷中心、并網(wǎng)方便、電網(wǎng)容量的要求較低、對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行影響小等優(yōu)勢,但風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低和成本高是制約其發(fā)展的核心問題。研究結(jié)果表明,對(duì)現(xiàn)有高風(fēng)速風(fēng)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制策略,是提高低風(fēng)速機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、降低成本的有效和可行的方法,對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的就地轉(zhuǎn)化利用、克服常規(guī)風(fēng)能不足、調(diào)整能源消耗結(jié)構(gòu)具有很重要的意義。

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