風(fēng)電機(jī)組的高輪轂方案分析

文 | 胡文玉

正在編制中的風(fēng)電“十三五”規(guī)劃提出，風(fēng)電有望逐步改變當(dāng)前廣被視作“替代能源”的地位，上升為未來扛鼎國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整主體的地位。根據(jù)規(guī)劃思路，理論上預(yù)計(jì)，到2020年，國內(nèi)風(fēng)電累積總裝機(jī)可達(dá)300GW；到2050年，總裝機(jī)規(guī)模將在此基礎(chǔ)上增長9倍達(dá)到3000GW，其所消費(fèi)電量將占據(jù)國內(nèi)能源總消費(fèi)量的80%，成為名副其實(shí)的主體能源。

“十三五”期間，陸上風(fēng)電仍是重頭戲，海上風(fēng)電定調(diào)謹(jǐn)慎，政策方目前擬定的“十三五”規(guī)劃思路中，對(duì)于海上風(fēng)電的開發(fā)定位是“穩(wěn)妥推進(jìn)”。目前的方向選擇主要以“上山下?！?，與之配套的是，業(yè)界也加大了研究力度，如開發(fā)海上風(fēng)電機(jī)組和山區(qū)低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組等，但風(fēng)電開發(fā)中仍然面臨諸如征用地困難、效益指標(biāo)不高等現(xiàn)實(shí)困難，其主要原因是受投資總額限制、風(fēng)電機(jī)組出力不夠等因素制約。因此，尋找一個(gè)具有更高投入產(chǎn)出效益比的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案或許是解決問題的方向，由此引出高輪轂方案。

陸上風(fēng)電開發(fā)局限性

一、缺少前瞻性的規(guī)劃

“十二五”規(guī)劃的風(fēng)電裝機(jī)量目標(biāo)仍然偏保守，與社會(huì)巨大的風(fēng)電發(fā)展需求有一定的脫節(jié)，根據(jù)“十三五”的初步規(guī)劃，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模預(yù)期到2020年的原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅度提升；另一方面，目前的風(fēng)電規(guī)劃注重是從風(fēng)能資源的角度進(jìn)行分析，與電網(wǎng)配套的容量分析稍顯不足，對(duì)土地的有效利用分析缺乏，尤其是風(fēng)電規(guī)劃后與之前的相關(guān)規(guī)劃，造成實(shí)際風(fēng)電項(xiàng)目由于與城市建設(shè)用地爭指標(biāo)、與土地規(guī)劃不符、與生態(tài)規(guī)劃沖突等問題，導(dǎo)致規(guī)劃的落實(shí)困難。

二、土地資源的價(jià)值有待重視

我國建設(shè)項(xiàng)目用地通常采用的是征用地方式和部分采取招拍掛的方式，而風(fēng)電項(xiàng)目通常位于偏遠(yuǎn)的地方，采用征用地方式，市場(chǎng)對(duì)土地價(jià)值的作用有一定的局限性。筆者了解德國通常采用風(fēng)電投資商邀土地權(quán)屬人以入股的方式開發(fā)風(fēng)電，對(duì)分布式風(fēng)電開發(fā)具有較好的引導(dǎo)作用，也充分體現(xiàn)了土地資源的價(jià)值。

三、缺少對(duì)更高輪轂高度風(fēng)能資源的觀測(cè)和分析

長期以來，我國進(jìn)行的風(fēng)能資源觀測(cè)評(píng)估通常以100m為界，除了國家氣象層面有一定的中尺度數(shù)值分析以外，工程界通常以70、80m測(cè)風(fēng)為主。根據(jù)中國氣象局 2009 年風(fēng)能資源評(píng)估成果，我國風(fēng)功率密度到達(dá)400－500W/m2及以上的風(fēng)能資源潛在開發(fā)量為1.22TWh億千瓦，風(fēng)功率密度到達(dá)300－400 W/m2及其以上的風(fēng)能資源潛在開發(fā)量為2.58TWh，風(fēng)功率密度達(dá)200－300 W/m2的風(fēng)能資源潛在開發(fā)量約為1.56TWh。而這里所指潛能僅是50m高度的風(fēng)能資源分析得出的初步結(jié)論，因此，可以說，我國陸上風(fēng)電還有巨大的開發(fā)潛力。

但離地100m上空，尤其是廣袤的華中華東華南地區(qū)（除沿海以外）到底風(fēng)速如何，目前還缺少實(shí)測(cè)和分析工作。

高輪轂高度的風(fēng)能資源理論分析

一、風(fēng)速垂直切變

近地層風(fēng)速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)。在中性大氣層結(jié)下，對(duì)數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，在多數(shù)地區(qū)冪指數(shù)公式比對(duì)數(shù)公式可以更精確地?cái)M合風(fēng)速的垂直廓線，我國新修訂的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也推薦使用冪指數(shù)公式，其表達(dá)式為：

式中，V2為高度Z2處的風(fēng)速（m/s）；V1為高度Z1處的風(fēng)速（m/s），α為風(fēng)切變指數(shù)，其值的大小表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

一般來說，在沒有特殊天氣背景及陡峭地形的情況下，風(fēng)速垂直切變受地表粗糙度影響較大，近地面測(cè)層風(fēng)速由于受地表粗糙度影響，風(fēng)切變較大。越往上，越遠(yuǎn)離地表的影響，風(fēng)速越穩(wěn)定，風(fēng)切變逐漸變小。

二、已有塔高風(fēng)切變分析

本文選取江西某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)一座100m測(cè)風(fēng)塔資料進(jìn)行分析，測(cè)風(fēng)塔的海拔高度較低，為H=12m，表1為其實(shí)測(cè)風(fēng)資料。

該塔80m與70m測(cè)層之間風(fēng)切變?yōu)?.4557，90m與80m之間風(fēng)切變?yōu)?.2470，100m與90m之間風(fēng)切變?yōu)?.1686，各測(cè)層之間平均切變?yōu)?.2156，詳見表2。

三、更高輪轂處的風(fēng)速預(yù)測(cè)

參考《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》，風(fēng)切變指數(shù)α取1/7（0.143）和本測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的平均風(fēng)切變指數(shù)，以100m測(cè)層實(shí)測(cè)風(fēng)速為基礎(chǔ)，可以推算當(dāng)輪轂高度H=130m時(shí)，輪轂高度處風(fēng)速V2的結(jié)果變化如表3所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)1503#測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速及風(fēng)功率統(tǒng)計(jì)

表2 1503#測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)期各測(cè)層間風(fēng)切變

高輪轂方案

右圖1為德國中部一臺(tái)輪轂高度為160m高的風(fēng)電機(jī)組安裝后的圖片，下面分別介紹高輪轂方案帶來的風(fēng)速提升和更加突出的經(jīng)濟(jì)效益。

一、平均風(fēng)速與發(fā)電量關(guān)系

以一臺(tái)2MW風(fēng)電機(jī)組為例，經(jīng)評(píng)估的風(fēng)功率曲線的不同，年平均風(fēng)速下的年滿發(fā)小時(shí)數(shù)如表4所示。表4表明，年平均風(fēng)速越高，在同等條件下，風(fēng)電機(jī)組的年滿發(fā)小時(shí)數(shù)就更高。

二、風(fēng)電場(chǎng)的效益對(duì)比分析

根據(jù)上述測(cè)風(fēng)塔資料，查表3和表4，按插補(bǔ)方式可以求得，風(fēng)電機(jī)組在130米輪轂高度處的年發(fā)電量比100m輪轂高度處的年發(fā)量差為240h。本文以一個(gè)50MW裝機(jī)規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)為例，計(jì)算由于塔筒和基礎(chǔ)費(fèi)用變動(dòng)引起的風(fēng)電場(chǎng)投資效益對(duì)比情況，如表5所示，更高輪轂方案的度電投資更少，項(xiàng)目的整體收益率會(huì)更高。

表3 風(fēng)速隨輪轂高度變化情況對(duì)比表

表4 風(fēng)速隨輪轂高度變化情況對(duì)比表

三、案例分析

以上圖1所示德國某臺(tái)高輪轂風(fēng)電機(jī)組為例，本文收集了此風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。風(fēng)電機(jī)組型號(hào)：富蘭德FL2500，單機(jī)功率：2500kW,葉輪直徑：90m，輪轂高度：160m，年發(fā)電量：7207.2GWh。

圖1 德國某160m輪轂高風(fēng)電機(jī)組

表5 以25臺(tái)2MW風(fēng)電機(jī)組為例不同輪轂高度的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

圖2 德國某160m輪轂風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，此風(fēng)電機(jī)組的年等效利用小時(shí)數(shù)高達(dá)2880h，相對(duì)而言，與同功率80m輪轂高度風(fēng)電機(jī)組高出約40%的電量提升，而投資則只有20%的提升。高輪轂方案具有顯著的投資效益。

結(jié)論

本文通過對(duì)風(fēng)切變實(shí)測(cè)資料分析認(rèn)為，基于正常風(fēng)速隨輪轂高度風(fēng)速加速的程度來說，只要風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域形成一定基數(shù)的正切變，更高輪轂高度的風(fēng)電機(jī)組安裝將具有更高的投資效益。而有資料分析顯示，當(dāng)離地面一定高度（如超過60m）后，陡峭的山峰處會(huì)形成微“負(fù)切變”，不利于高輪轂方案，但在廣袤的平原地區(qū)，風(fēng)速高度加速的可能性增大，因此，有必要進(jìn)行高于100m輪轂高度的測(cè)風(fēng)和工程實(shí)踐活動(dòng)。