基于風(fēng)能資源有效利用的風(fēng)電機(jī)組大型化個(gè)性化分析

文 | 高俊云 王首成

基于風(fēng)能資源有效利用的風(fēng)電機(jī)組大型化個(gè)性化分析

文 | 高俊云 王首成

“十二五”期間，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了跨越式發(fā)展，截止到2014年底，我國風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)114609MW，新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界首位，風(fēng)能已成為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。

目前，我國正處在逐漸由風(fēng)電大國向風(fēng)電強(qiáng)國轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。這就要求在風(fēng)資源的有效利用和大功率風(fēng)電機(jī)組研發(fā)、風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造，關(guān)鍵配套件和主控系統(tǒng)可靠性等核心技術(shù)上必須有所創(chuàng)新和突破。

我國風(fēng)電整機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2014年底，我國具有批量或者小批量生產(chǎn)能力的風(fēng)電整機(jī)企業(yè)共20余家。通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、聯(lián)合設(shè)計(jì)和自主研發(fā)等方式，這些企業(yè)已基本掌握了1.5MW至3MW 風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。同時(shí)，與整機(jī)研發(fā)配套的產(chǎn)業(yè)鏈也逐步成熟，葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主控系統(tǒng)等設(shè)計(jì)和制造水平都取得了長足進(jìn)步。目前，1.5MW機(jī)組和2MW 機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)及配套件供應(yīng)已相對(duì)成熟，成為國內(nèi)陸上風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。一些企業(yè)在引進(jìn)消化吸收的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新，開發(fā)出了適應(yīng)中國風(fēng)資源和氣候特征的風(fēng)電機(jī)組，由技術(shù)同質(zhì)化引發(fā)的不正當(dāng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)正逐步扭轉(zhuǎn)。另外， 2.5MW和3MW風(fēng)電機(jī)組已進(jìn)入小批量裝機(jī)，5MW和6MW風(fēng)電機(jī)組也有多家企業(yè)完成樣機(jī)試制并投入試運(yùn)行，更高功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組，如10MW機(jī)組也已處于概念設(shè)計(jì)階段。

風(fēng)電機(jī)組大型化

一、整機(jī)大型化趨勢(shì)明顯

隨著風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)對(duì)風(fēng)能利用率的要求不斷提高，整機(jī)大型化成為風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。2005年以前，750kW以下是市場(chǎng)的主流機(jī)型，2005年至2008年，兆瓦級(jí)機(jī)型逐漸成為主流機(jī)型，期間1.5MW機(jī)組開始研制并投入運(yùn)行。2008年到現(xiàn)在，逐步進(jìn)入多兆瓦級(jí)時(shí)代，1.5MW至3MW的風(fēng)電機(jī)組占領(lǐng)了主要市場(chǎng)，5MW、6MW海上風(fēng)電機(jī)組也安裝運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確提出，在“十二五”期間，鼓勵(lì)整機(jī)企業(yè)掌握7MW風(fēng)電機(jī)組及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，10MW海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)也被列入規(guī)劃中。

多年來，1.5MW風(fēng)電機(jī)組一直是風(fēng)電市場(chǎng)的主力機(jī)型。近年來，隨著大機(jī)組時(shí)代的到來，通過對(duì)大容量機(jī)組的研究與使用，2MW機(jī)組的新增裝機(jī)容量逐年提高，2MW與1.5MW機(jī)組成為新增裝機(jī)主要機(jī)型。近三年，1.5MW新增裝機(jī)容量占比逐年降低，2014年1.5MW新增裝機(jī)容量占全國風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)容量由2013年的51%下降到46%，而2MW新增裝機(jī)容量占全國風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)容量則由2013年的31.6%提高到41%，平均裝機(jī)功率呈逐年增長的趨勢(shì)。

二、風(fēng)電機(jī)組大型化的優(yōu)勢(shì)

隨著技術(shù)和供應(yīng)鏈的不斷成熟，大型風(fēng)電機(jī)組越來越顯示出顯著的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于較低容量的機(jī)組而言，更大型的風(fēng)電機(jī)組一是有效降低了投資成本；二是有效提高了發(fā)電量；三是在相同規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)中安裝大容量機(jī)組，可以有效減少機(jī)組數(shù)量，從而減少后續(xù)的維護(hù)工作量，有效降低運(yùn)維成本，提高管理效率。

以安裝10臺(tái)風(fēng)輪直徑88m的1.5MW機(jī)組和5臺(tái)風(fēng)輪直徑113m的3MW機(jī)組為例進(jìn)行對(duì)比（總裝機(jī)容量相同），若按直線排布，相鄰機(jī)組前后距離為風(fēng)輪直徑5倍估算，10臺(tái)1.5MW機(jī)組前后距離為3915m，而5臺(tái)3MW機(jī)組前后距離僅為2260m。由于機(jī)位和基礎(chǔ)減少了一半，占地面積也大幅減少，隨著單位面積征地費(fèi)用的不斷上漲，征地面積降低將有效降低風(fēng)電場(chǎng)征地費(fèi)用。同時(shí)，運(yùn)維成本也大幅降低。若在相同的距離上排布機(jī)組，3MW機(jī)組的前后距離可達(dá)風(fēng)輪直徑的8.7倍。這能大大減小尾流帶來的發(fā)電量降低和湍流加大對(duì)機(jī)組運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。

三、海上風(fēng)電開發(fā)加快了整機(jī)大型化步伐

根據(jù)國家新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十二五”末，我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到500萬千瓦，2020年將達(dá)到3000萬千瓦。海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源好、對(duì)環(huán)境影響較小、不占用土地資源等優(yōu)點(diǎn)，將成為中國風(fēng)電未來的主要方向。由于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，造價(jià)高昂，尤其適合大容量風(fēng)電機(jī)組的安裝，以有效降低單位千瓦的基礎(chǔ)造價(jià)和機(jī)組的維修費(fèi)用。但受海域使用協(xié)調(diào)難度大、技術(shù)研發(fā)和施工技術(shù)等因素制約，目前我國海上風(fēng)電進(jìn)展較為緩慢。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)（CWEA）發(fā)布的《2014年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》，截至2014年底，我國已建成海上風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)657.88MW，其中，潮間帶風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到434.48MW，近海風(fēng)電裝機(jī)容量為223.4MW。

海上風(fēng)電市場(chǎng)較大的發(fā)展空間，將會(huì)給整機(jī)企業(yè)帶來新的機(jī)遇，目前國內(nèi)已有多家整機(jī)廠推出了5MW及以上級(jí)別的海上風(fēng)電機(jī)組，未來會(huì)有更多的整機(jī)企業(yè)加快對(duì)更高功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)。

四、風(fēng)電機(jī)組大型化需要解決的技術(shù)難題

風(fēng)電機(jī)組的大型化并不僅僅是結(jié)構(gòu)尺寸、塔筒高度的簡(jiǎn)單放大，會(huì)面臨一系列的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)難題，如長葉片的強(qiáng)度、剛度保證問題，載荷控制問題、結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題等。目前，采用先進(jìn)控制技術(shù)降低機(jī)組載荷正越來越成為風(fēng)電機(jī)組的研究熱點(diǎn)之一。如獨(dú)立變槳（IPC）控制技術(shù)、塔架動(dòng)態(tài)推力消減控制技術(shù)、基于雷達(dá)測(cè)風(fēng)的預(yù)測(cè)控制技術(shù)等，其目的都是為了降低關(guān)鍵零部件的極限載荷和疲勞載荷，在保證機(jī)組可靠性的基礎(chǔ)上，合理控制整機(jī)重量的增加。

風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展，也必然伴隨風(fēng)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新是大型風(fēng)電機(jī)組不斷發(fā)展的主要特征，掌握機(jī)組核心設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的大型制造企業(yè)的全方位優(yōu)勢(shì)將逐步顯現(xiàn)。為了開發(fā)具有真正自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型風(fēng)電機(jī)組，必須攻克高升力翼型葉片設(shè)計(jì)、先進(jìn)智能控制算法開發(fā)、控制策略優(yōu)化、載荷和部件優(yōu)化、整機(jī)重量降低、關(guān)鍵部件制造和可靠性提高及整機(jī)集成等一系列的新課題。

風(fēng)電機(jī)組個(gè)性化

一、機(jī)組個(gè)性化趨勢(shì)

我國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，各地風(fēng)資源差異性較大。因此，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)特定場(chǎng)址條件進(jìn)行適應(yīng)性技術(shù)改進(jìn)，即對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。近年來，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，用戶的個(gè)性化需求不斷上升。如針對(duì)北方風(fēng)電場(chǎng)，需研制低溫型風(fēng)電機(jī)組，使其具有抗低溫、抗風(fēng)沙和冰雪的性能；針對(duì)東南沿海風(fēng)電場(chǎng)，需研制抗臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組，使其具有抗高溫、抗臺(tái)風(fēng)和防鹽霧的性能；而針對(duì)西南地區(qū)的高原風(fēng)電場(chǎng)，需研制高原型風(fēng)電機(jī)組，使其能適應(yīng)高海拔、高太陽輻射、凝露等氣候特點(diǎn)。一些公司還開發(fā)了風(fēng)電機(jī)組個(gè)性化開發(fā)系統(tǒng)，可依據(jù)實(shí)際風(fēng)況、自然環(huán)境、用戶具體需求等為風(fēng)電場(chǎng)定制最適合的機(jī)型。

此外，從葉片設(shè)計(jì)、傳動(dòng)鏈布置形式、塔筒結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面推出了許多新的個(gè)性化技術(shù)。如為了降低長葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，在葉片表面加裝渦流發(fā)生器或后緣鋸齒形設(shè)計(jì)；為降低塔筒制造成本，設(shè)計(jì)出了混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的混合型塔筒；傳動(dòng)鏈布置在傳統(tǒng)的單軸承、雙軸承結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，推出了緊湊型、一入多出等新型結(jié)構(gòu)；結(jié)合雙饋式、直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，推出了兼顧二者優(yōu)勢(shì)的中高速半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。

近年來，我國整機(jī)制造商對(duì)開發(fā)適合不同運(yùn)行環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組越來越重視，推出了多款低溫型、高原型、防臺(tái)風(fēng)型等針對(duì)特定風(fēng)電場(chǎng)量身定制的風(fēng)電機(jī)組，提高了風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境適用性。如太原重工1.5MW至3MW系列低溫型機(jī)組、海裝2MW高原型機(jī)組、明陽1.5MW抗臺(tái)風(fēng)型機(jī)組等，個(gè)性化設(shè)計(jì)已成為風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)之一。

二、風(fēng)輪直徑不斷加大

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國范圍內(nèi)年平均風(fēng)速在5m/s至7m/s的低風(fēng)速資源面積，占全國風(fēng)能資源區(qū)的68%，且接近用電負(fù)荷中心，并網(wǎng)條件較好。隨著高風(fēng)速優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源開發(fā)趨于飽和受到“棄風(fēng)”的影響，低風(fēng)速風(fēng)能資源的開發(fā)越來越受到關(guān)注。為使低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)具備開發(fā)價(jià)值，低風(fēng)速機(jī)組必須采用更長的葉片，以吸收更多風(fēng)能。目前，國內(nèi)已有多種低風(fēng)速機(jī)型投入使用，1.5MW低風(fēng)速機(jī)組的最大風(fēng)輪直徑已達(dá)100m，2MW低風(fēng)速機(jī)組的最大風(fēng)輪直徑已達(dá)121m。隨著葉片長度和掃風(fēng)面積的增加，切入風(fēng)速和額定風(fēng)速都明顯下降。如風(fēng)輪直徑100m的1.5MW機(jī)組，其切入風(fēng)速為2.8m/s，額定風(fēng)速為9m/s。年平均風(fēng)速為5.5m/s時(shí)，年等效小時(shí)數(shù)大于2000h，大大提高了風(fēng)能資源的利用率。圖1為不同風(fēng)速下三種1.5MW低風(fēng)速機(jī)組的年等效小時(shí)數(shù)對(duì)比（假設(shè)年平均風(fēng)速為Weibull分布，形狀參數(shù)k=2.0）。當(dāng)年平均風(fēng)速為6.5m/s時(shí)，風(fēng)輪直徑100m的1.5MW機(jī)組比風(fēng)輪直徑88m的1.5MW機(jī)組年發(fā)電量提高約16.1%。

圖1　不同風(fēng)速下三種1.5MW低風(fēng)速機(jī)組的年理論等效小時(shí)數(shù)對(duì)比

結(jié)語

隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和風(fēng)電整機(jī)供應(yīng)鏈的不斷成熟，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量越大，單位千瓦的造價(jià)和機(jī)組運(yùn)維費(fèi)用就越低，風(fēng)能資源的利用率也越高。目前國內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組最大達(dá)6MW，而從2012年開始，國內(nèi)外都有公司啟動(dòng)了8MW到10MW風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)，適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)各種環(huán)境條件的個(gè)性化風(fēng)電機(jī)組也不斷投入運(yùn)行，如聯(lián)合動(dòng)力推出了UP2000－121超低風(fēng)速機(jī)組，Gamesa推出了G132－3.3MW低風(fēng)速機(jī)組，Vestas推出了葉輪直徑達(dá)164m的8MW半直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組。因此，以單機(jī)容量逐步增大和提高機(jī)組環(huán)境適應(yīng)性為標(biāo)志的風(fēng)電機(jī)組大型化、個(gè)性化將成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

（作者單位：太原重工股份有限公司技術(shù)中心）