風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析

（作者單位：鄒立偉，宋之燕：中科宇能科技發(fā)展有限公司；魏敏：浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司）

目前，市場(chǎng)應(yīng)用較廣泛的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的增效技術(shù)包括氣動(dòng)附件技術(shù)和葉片延長(zhǎng)技術(shù)，氣動(dòng)附件技術(shù)包括渦流發(fā)生器、襟翼和擾流板等，葉片延長(zhǎng)技術(shù)包括葉根延長(zhǎng)技術(shù)和葉尖延長(zhǎng)技術(shù)。葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)基于傳統(tǒng)的動(dòng)量葉素理論，通過增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積實(shí)現(xiàn)機(jī)組增效，具有增效效益顯著、應(yīng)用成本低的特點(diǎn)，目前已在國(guó)內(nèi)試點(diǎn)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)試運(yùn)行、批量安裝等應(yīng)用，在下一步的市場(chǎng)化推廣中，其技術(shù)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性將成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，本文在簡(jiǎn)述葉尖延長(zhǎng)增效原理的基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，包括與工程上常用增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析及在工程案例上的經(jīng)濟(jì)性分析。

葉尖延長(zhǎng)增效原理

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)是基于傳統(tǒng)的動(dòng)量葉素理論，通過增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積實(shí)現(xiàn)葉片的增效。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中，我們把風(fēng)力機(jī)吸取風(fēng)能的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為經(jīng)典的致動(dòng)盤模型，結(jié)合致動(dòng)盤模型上、下游的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及空氣的伯努利方程，可以得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效功率與風(fēng)輪掃風(fēng)面積的關(guān)系式：

式中：P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效功率；a為表征葉片軸向速率變化的軸向誘導(dǎo)因子；ρ為設(shè)計(jì)空氣密度；v為風(fēng)輪上游無窮遠(yuǎn)處風(fēng)速；s為風(fēng)輪掃風(fēng)面積。

由公式可知，功率P與設(shè)計(jì)空氣密度ρ、風(fēng)輪掃風(fēng)面積s、風(fēng)輪上游來流風(fēng)速v及葉片軸向誘導(dǎo)因子a相關(guān)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的出功受風(fēng)資源情況及葉片設(shè)計(jì)兩方面影響。假設(shè)在相同的風(fēng)資源條件（設(shè)計(jì)空氣密度相同，風(fēng)輪來流風(fēng)速相同）下，當(dāng)通過優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)葉片軸向誘導(dǎo)因子水平相近時(shí)，影響葉片出功的核心因素是風(fēng)輪掃風(fēng)面積。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片葉尖延長(zhǎng)后將增加葉片長(zhǎng)度，增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增功的目的。

不同增效技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

本文以工程上常用的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增效技術(shù)為例，分析了不同增效技術(shù)的成本及效益水平。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增效技術(shù)應(yīng)用的成本包含設(shè)計(jì)成本、生產(chǎn)成本和安裝成本，并可依據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目折算成直觀的批量成本。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增效技術(shù)應(yīng)用的效益水平體現(xiàn)在機(jī)組發(fā)電量提升方面（見表1）。

根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同，不同增效技術(shù)的發(fā)電量提升幅度體現(xiàn)出相應(yīng)差異。通過提高葉片風(fēng)能利用系數(shù)為理論基礎(chǔ)增效的渦流發(fā)生器、襟翼、擾流板等氣動(dòng)附件技術(shù)，受到原葉片流場(chǎng)水平及流場(chǎng)優(yōu)化程度的限制，年發(fā)電量提升幅度保持在1%～2%；通過延長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度的葉根及葉尖延長(zhǎng)技術(shù)，延長(zhǎng)后風(fēng)輪掃風(fēng)面積得到了大幅提高，年發(fā)電量水平實(shí)現(xiàn)了3%～5%的大幅度增長(zhǎng)。

不同增效技術(shù)的設(shè)計(jì)成本包含了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的人力成本投入、固定資產(chǎn)投入及試驗(yàn)測(cè)試投入。氣動(dòng)附件類技術(shù)設(shè)計(jì)成本主要集中于人力成本投入和固定資產(chǎn)投入，由于氣動(dòng)附件類的測(cè)試通常需要進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，目前在工程上仍主要以計(jì)算驗(yàn)證為主，可忽略試驗(yàn)測(cè)試投入；延長(zhǎng)類增效技術(shù)在三方面都需要一定的成本投入，總體設(shè)計(jì)成本相對(duì)偏高。

表1 不同增效技術(shù)的成本及效益分析

表2 云南某風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)1.5MW機(jī)組葉尖延長(zhǎng)前后性能對(duì)比表

表3 云南某風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組葉尖延長(zhǎng)后成本分析

表4 云南某風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組葉尖延長(zhǎng)后收益分析

不同增效技術(shù)的生產(chǎn)成本取決于原材料成本和模具成本。氣動(dòng)附件類技術(shù)的原材料種類簡(jiǎn)單、附件尺寸小、原材料用量少、模具成本低，具有較低的生產(chǎn)成本。葉根延長(zhǎng)技術(shù)的原材料用量大、模具成本高，并可能帶入成本較高的連接配件，具有較高的生產(chǎn)成本。葉尖延長(zhǎng)技術(shù)原材料用量、模具成本居中，生產(chǎn)成本相對(duì)居中。

不同增效技術(shù)的安裝成本取決于安裝工裝成本及安裝方式附加成本。氣動(dòng)附件類技術(shù)工裝簡(jiǎn)單，延長(zhǎng)類增效技術(shù)工裝復(fù)雜，但均無過大成本，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際采用的安裝方式帶來的成本是雙方的共性成本，工廠內(nèi)安裝時(shí)成本較低，風(fēng)電場(chǎng)安裝時(shí)成本較高。同時(shí)葉根延長(zhǎng)技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)安裝時(shí)，需要拆卸原葉片并重新吊裝，所帶來的附加成本較高。

在工程實(shí)際中，結(jié)合成本投入及實(shí)際工程量折算出的批量成本，在經(jīng)濟(jì)性分析中更具有代表性。不同增效技術(shù)的批量成本包含可攤銷成本及不可攤銷成本。設(shè)計(jì)成本及生產(chǎn)成本中的模具成本均可攤銷在批量機(jī)組上，帶來的批量成本很小，生產(chǎn)成本中的原材料成本及安裝成本由于不可攤銷，是批量成本的主要來源。葉根延長(zhǎng)技術(shù)由于高額的安裝成本導(dǎo)致批量成本較高，葉尖延長(zhǎng)技術(shù)和氣動(dòng)附件技術(shù)批量成本相對(duì)較低。

總結(jié)工程上常用增效技術(shù)的成本及效益水平，葉片延長(zhǎng)類增效技術(shù)的發(fā)電量水平是氣動(dòng)附件類增效技術(shù)的2～3倍，所帶來的效益增量顯著，從工程應(yīng)用后折算的批量成本上看，葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)與氣動(dòng)附件類增效技術(shù)具有相近的成本投入，均顯著低于葉根延長(zhǎng)增效技術(shù)的成本投入。葉尖延長(zhǎng)是目前工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性最好的技術(shù)方案。

葉尖延長(zhǎng)案例分析

本文以云南某風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)1.5MW 機(jī)組的葉尖延長(zhǎng)增效技改為例進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。該風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組通過延長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度，增大了風(fēng)輪掃風(fēng)面積，延長(zhǎng)前后機(jī)組性能對(duì)比如表2所示。

從表2中可以看出，該風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組通過延長(zhǎng)葉尖的方式增長(zhǎng)1.8m，占原葉片長(zhǎng)度的4.5%，通過葉尖延長(zhǎng)段的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，保證了葉片發(fā)電性能的提升，風(fēng)能利用系數(shù)從0.483提升到0.485，年發(fā)電量提升了4.6%。該風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組在采用葉尖延長(zhǎng)增效的技改項(xiàng)目后，機(jī)組性能和發(fā)電量水平都得到了大幅提升。

該風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組葉尖延長(zhǎng)增效技改項(xiàng)目的成本見表3，收益見表4。該項(xiàng)目為33臺(tái)的批量項(xiàng)目，綜合表3和表4可知，相較于技改后的收益，批量后的總成本水平較低。其中，生產(chǎn)成本中雖然包含了不可攤銷的材料成本，但由于葉尖延長(zhǎng)技術(shù)針對(duì)葉片葉尖部分進(jìn)行氣動(dòng)外形匹配，而葉尖部分葉型表面積小，材料用量少，沒有給生產(chǎn)成本的攤銷帶來過大負(fù)擔(dān)，生產(chǎn)成本及開發(fā)成本攤銷到每臺(tái)機(jī)組后的成本均很低。該風(fēng)電場(chǎng)葉尖延長(zhǎng)項(xiàng)目采用的安裝方式為空中安裝，安裝成本中包含了安裝、施工及運(yùn)費(fèi)等現(xiàn)場(chǎng)成本投入且不可攤銷，是批量總成本的主要來源。結(jié)合技改后機(jī)組發(fā)電量4.6%的提升水平，每臺(tái)機(jī)組年收益在13.2萬(wàn)元左右，批量后每臺(tái)的總成本在37萬(wàn)元左右，3年內(nèi)即可收回開發(fā)成本，體現(xiàn)了葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)顯著的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，針對(duì)裝有同型號(hào)葉片機(jī)組的不同風(fēng)電場(chǎng)，葉尖延長(zhǎng)技術(shù)具有技術(shù)上的通用性，即當(dāng)在其他安裝同機(jī)型機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)中推廣40.3m葉片的葉尖延長(zhǎng)技術(shù)時(shí)，批量總成本可簡(jiǎn)化為原材料成本和安裝成本，成本回收周期將進(jìn)一步縮短。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程上常用的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性水平，分析了葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，葉尖延長(zhǎng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常用的氣動(dòng)附件類增效技術(shù)及葉根延長(zhǎng)增效技術(shù)。在批量項(xiàng)目上應(yīng)用葉尖延長(zhǎng)技術(shù)后，既保證了業(yè)主方的低成本投入，又實(shí)現(xiàn)了技改機(jī)組發(fā)電量的顯著提升。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)的進(jìn)一步市場(chǎng)化推廣，將為風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組增效技改提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的方案。

攝影：梁家輝