大功率風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性選型研究

□賈湛龍

隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)于一些天然能源使用消耗十分巨大，例如石油煤炭等不可再生資源，在日益增長(zhǎng)的能源需求下，消耗速度明顯增快。且這些不可再生資源再轉(zhuǎn)換成能量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，治理污染需要巨大的資金投入。在環(huán)保節(jié)能理念下許多清潔能源，逐漸進(jìn)入大家視野，其中就包括風(fēng)能。我國(guó)是自20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)于風(fēng)電進(jìn)行研究的，但是早期我國(guó)建立的風(fēng)電項(xiàng)目都是依靠一些國(guó)外的捐贈(zèng)或者貸款，規(guī)模相對(duì)較小。在國(guó)家的大力支持下，我國(guó)開(kāi)始研究一些小型風(fēng)力發(fā)電組。而我國(guó)真正開(kāi)始發(fā)展大型風(fēng)電機(jī)組是從21世紀(jì)初開(kāi)始，在風(fēng)電機(jī)組研究到一定程度之后，相繼完成了風(fēng)機(jī)的載荷計(jì)算軟件以及強(qiáng)度分析軟件的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用。逐漸我國(guó)具備了大型風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)以及研制工作的所需條件，雖然已經(jīng)取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，但是大功率風(fēng)電機(jī)組的成本還是較高，離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化方面也有相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離。

一、風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組選型成本

(一)風(fēng)機(jī)機(jī)組成本。我國(guó)在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)組主要有750千瓦、1.5兆瓦、2兆瓦、2.5兆瓦、4兆瓦、5兆瓦、6兆瓦幾種選型，不同兆瓦的風(fēng)機(jī)的效果也不一樣。我國(guó)近幾年來(lái)最常用的風(fēng)機(jī)類型并且國(guó)產(chǎn)化效率較高的風(fēng)機(jī)是1.5兆瓦、2兆瓦的風(fēng)機(jī)，這兩款風(fēng)電機(jī)組主要是在2007年之后得到廣泛使用，隨著兆瓦級(jí)別風(fēng)電機(jī)組不斷發(fā)展，這兩款的功率在近幾年來(lái)的表現(xiàn)已經(jīng)不足以提供充足的電力了。第二種是4兆瓦功率的風(fēng)機(jī)，它較為成熟先進(jìn)，相比于2兆瓦的風(fēng)機(jī)，它多出了一個(gè)變速恒頻，獨(dú)立變槳的效果，能隨著風(fēng)速的快慢變速使得風(fēng)機(jī)效率達(dá)到最大化。第三種為6兆瓦風(fēng)機(jī)，它與4兆瓦至5兆瓦的風(fēng)機(jī)效果相同，不過(guò)效率更高，風(fēng)速在十三米每秒到二十五米每秒的時(shí)候能達(dá)到更強(qiáng)的功率。對(duì)比這三種風(fēng)機(jī)類型，效果最好效率最高的為6兆瓦風(fēng)機(jī)。在相同的風(fēng)速下，槳葉葉片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，那么發(fā)電量也會(huì)隨之增加，但是發(fā)電機(jī)的成本也會(huì)隨之增加。

(二)輪轂葉片、塔筒、齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及電控系統(tǒng)成本。塔筒的體積是隨著風(fēng)機(jī)的大小以及尺寸來(lái)決定的，塔筒是由鋼材制作的，論噸計(jì)算，目前的價(jià)格大概為一萬(wàn)到一萬(wàn)兩千元每噸不等，并其塔筒總共分了四段，其價(jià)格隨著風(fēng)機(jī)的大小逐漸增長(zhǎng)。其次為槳葉采購(gòu)，槳葉有兩種材料，第一種為傳統(tǒng)材料，傳統(tǒng)材料生產(chǎn)價(jià)格便宜，但是重量過(guò)重導(dǎo)致運(yùn)輸安裝都會(huì)有產(chǎn)生極大的困難。其次是新穎的碳纖維結(jié)構(gòu)，重量較小使用壽命也比較長(zhǎng)，但是在制作以及運(yùn)輸?shù)某杀旧线^(guò)于昂貴，由于槳葉的尺寸隨著風(fēng)機(jī)的功率而增大，所以價(jià)格也會(huì)呈現(xiàn)幾何形的放大。

(三)技術(shù)成本。風(fēng)機(jī)機(jī)組制造成本主要消耗在技術(shù)成本上，目前我國(guó)風(fēng)機(jī)機(jī)組較為常見(jiàn)的技術(shù)為雙饋以及直驅(qū)永磁。雙饋風(fēng)機(jī)的技術(shù)比直驅(qū)永磁成熟，質(zhì)量也十分穩(wěn)定可靠，修繕費(fèi)用和運(yùn)行成本較低。直驅(qū)永磁則是在適應(yīng)風(fēng)區(qū)上更強(qiáng)，消耗較少，后續(xù)維護(hù)成本更低，所以直驅(qū)永磁近幾年來(lái)在風(fēng)電市場(chǎng)十分受歡迎。從價(jià)格上來(lái)說(shuō)，直驅(qū)永磁的成本更加昂貴，千瓦就比同級(jí)別的貴出數(shù)百元，并且直驅(qū)永磁還有一個(gè)十分巨大的隱患，退磁。所以我國(guó)風(fēng)機(jī)機(jī)組更偏向于選擇雙饋風(fēng)機(jī)，雙饋風(fēng)機(jī)在產(chǎn)品定型之后量產(chǎn)能夠大幅度降低單機(jī)制造費(fèi)用，能夠節(jié)省成本。

(四)風(fēng)機(jī)選址成本。風(fēng)機(jī)的大小以及所需的道路場(chǎng)地的不同以及所需的是臨時(shí)征地和永久征地的需求量不同，使得最后落地的費(fèi)用也不盡相同。但是功率越高的風(fēng)機(jī)平臺(tái)面積就越大。槳葉在平臺(tái)中是一個(gè)較為難控制的點(diǎn)，槳葉長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)必須要確保平臺(tái)槳葉伸展區(qū)域無(wú)障礙物。在風(fēng)機(jī)征地時(shí)，升壓站和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需永久使用，所以需要征用，其他道路例如場(chǎng)內(nèi)檢修可以臨時(shí)租用或者借用，省下經(jīng)費(fèi)。除去租用場(chǎng)地等，還要考慮送出線路的成本分析，風(fēng)機(jī)機(jī)組的電纜線路一般分為直埋式敷設(shè)電纜和架空線路兩種，架空線路建設(shè)時(shí)電路較為復(fù)雜，并且容易受到自然雷雨天之類的影響，也需要考慮永久征地以及維護(hù)的問(wèn)題。直埋式可以沿著單路建設(shè)，線路簡(jiǎn)單，但是成本較高，并且電纜線路不能夠隨意變動(dòng)和分支。

(五)運(yùn)維費(fèi)用。在風(fēng)機(jī)機(jī)組基本選型完成之后，運(yùn)維費(fèi)用也是成本消耗的重頭項(xiàng)目。風(fēng)場(chǎng)一般質(zhì)保都在三年以上，維修能力以及后備儲(chǔ)存都較為可靠，但是費(fèi)用將會(huì)相對(duì)高一點(diǎn)，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看更加的經(jīng)濟(jì)可靠。自主運(yùn)維對(duì)于風(fēng)機(jī)管理單位的后備充足性以及設(shè)備故障突發(fā)處理速度都是極大的考驗(yàn)。從科學(xué)角度分析來(lái)說(shuō)，在不出現(xiàn)故障的情況下自主運(yùn)維確實(shí)可以節(jié)約成本，但是大機(jī)組一旦出現(xiàn)問(wèn)題，修復(fù)不及時(shí)則會(huì)造成更大的損失，綜合來(lái)看選擇原廠家技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)維更加合適。

二、風(fēng)電機(jī)組初步選型

(一)確定一個(gè)適合單機(jī)容量的設(shè)備。在確定了機(jī)組安全防護(hù)等級(jí)之后,在根據(jù)以下幾個(gè)因素進(jìn)行甄別篩選得到一個(gè)符合條件的設(shè)備制造商,從而最終確定一個(gè)適合單機(jī)容量的設(shè)備。一是需要仔細(xì)地考察一個(gè)機(jī)組的制造技術(shù)水平和其技術(shù)的成熟程度,這個(gè)機(jī)組的制造商首先必須要通過(guò)國(guó)標(biāo)認(rèn)證,這個(gè)機(jī)組的產(chǎn)品能否經(jīng)過(guò)了對(duì)設(shè)計(jì)價(jià)格的評(píng)估、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量的驗(yàn)證。二是調(diào)查機(jī)組的成熟程度,用于分析判斷本次產(chǎn)品在使用中的可靠性,從該零部件制造商在其中投入的商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間和所占據(jù)的市場(chǎng)份額等方面來(lái)進(jìn)行了評(píng)價(jià),這樣才能夠檢測(cè)得出零部件供應(yīng)商的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平。三是要對(duì)這些制造企業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效能力,有無(wú)不良記錄。四是判斷本廠家服務(wù)工作到位與否是標(biāo)準(zhǔn),以及售后服務(wù)工作能否及時(shí)開(kāi)展。

(二)場(chǎng)地調(diào)查。在確定場(chǎng)地之后要調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)的交通運(yùn)輸情況，以免意外情況的發(fā)生，其次要調(diào)查地質(zhì)構(gòu)造狀況是否適合施工以及風(fēng)機(jī)機(jī)組的安裝。還要調(diào)查風(fēng)場(chǎng)的情況，風(fēng)切變情況以及風(fēng)力，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)表的安裝高度的要求制作出一個(gè)最適合的方案，以免出現(xiàn)輪轂過(guò)高或者過(guò)低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大效率。此外要調(diào)查好機(jī)組適應(yīng)環(huán)境的能力，不同類型的機(jī)組適應(yīng)不同地區(qū)不同溫度。功率曲線是一個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組發(fā)電輸出性能好壞的顯示，在進(jìn)行安裝之前要仔細(xì)研究功率曲線，在最適合的地址安裝風(fēng)機(jī)機(jī)組。

三、年上網(wǎng)發(fā)電量比選

(一)在一定的風(fēng)速范圍之內(nèi)，風(fēng)速越大那么風(fēng)電機(jī)組的輸出功率也就越大，發(fā)電量也會(huì)隨之提升。風(fēng)電場(chǎng)的選址最先要考慮風(fēng)資源的分布情況這樣才能最大程度地發(fā)掘風(fēng)機(jī)的能力和效率。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行擬選坐標(biāo)，并且在其中必須要考慮安裝風(fēng)機(jī)時(shí)輪轂中心高度以及風(fēng)輪直徑和功率曲線。之后進(jìn)行擬建風(fēng)場(chǎng)的年理論發(fā)電量的計(jì)算。再根據(jù)國(guó)家的要求對(duì)這些計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，首先要考慮的是空氣密度修正系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)的空氣密度之下，風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線是風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線。但是,在實(shí)際的使用環(huán)境中,風(fēng)機(jī)往往被建在一個(gè)海拔較高的地方,那么其實(shí)際的空氣密度值就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)值,由此可以得到,在相同的使用風(fēng)速情況下,風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出能力和功率都會(huì)更低一些,所以在進(jìn)行各種使用風(fēng)電場(chǎng)每年的上網(wǎng)能耗計(jì)算時(shí),就需要檢查和修正其中的空氣密度?，F(xiàn)在最常見(jiàn)的一種修正方式就是,以年平均空氣密度和標(biāo)準(zhǔn)空氣密度之間的值相比來(lái)計(jì)算得到的修正系數(shù),直接用這個(gè)值來(lái)計(jì)算年理論中的發(fā)電總量。

(二)控制湍流折減系數(shù)也是需要考慮和修正的。在實(shí)際情況當(dāng)中，機(jī)組的操控總是根據(jù)風(fēng)向變化而變化的，因此機(jī)組的操控總是滯后于方向變化，這也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的輸出功率估計(jì)值產(chǎn)生影響。同時(shí)湍流強(qiáng)度越大，風(fēng)的速度也會(huì)出現(xiàn)變化，不穩(wěn)定的風(fēng)速會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的輸出功率產(chǎn)生影響，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際的湍流強(qiáng)度和方向?qū)δM估算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以保證計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際值。

(三)風(fēng)機(jī)的利用率也不會(huì)像計(jì)算的一樣達(dá)到最大值，所以在計(jì)算時(shí)也要修正風(fēng)機(jī)在真實(shí)情況下由于自身的質(zhì)量、風(fēng)機(jī)維護(hù)等問(wèn)題所折用的效率值。除此之外風(fēng)機(jī)功率曲線保證率以及風(fēng)電場(chǎng)的損耗系數(shù)都會(huì)有一定的折損，在計(jì)算時(shí)也要考慮到這兩點(diǎn)的情況。風(fēng)機(jī)受到類似于霜降、凝凍等這樣的極端氣候影響時(shí)，運(yùn)行效率都會(huì)下降。電網(wǎng)波動(dòng)以及限電時(shí)為了保障風(fēng)場(chǎng)的電網(wǎng)安全，風(fēng)電場(chǎng)會(huì)暫時(shí)脫網(wǎng)，所以發(fā)電量會(huì)減少。在實(shí)際情況中，若是風(fēng)機(jī)出現(xiàn)在特別復(fù)雜的地形條件下，軟件在進(jìn)行模擬時(shí)，得出的數(shù)據(jù)可能會(huì)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在一定差距，從而導(dǎo)致理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量不相符合。

四、風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)比選

我國(guó)常用的經(jīng)濟(jì)比選法有四種，第一種是年度電投資法，第二種是差額內(nèi)部收益率法，第三種是最低電價(jià)法，第四種是發(fā)電成本法。進(jìn)行各項(xiàng)對(duì)比再選擇出一個(gè)適合的風(fēng)機(jī)機(jī)組。2兆瓦左右的風(fēng)機(jī)是較早的產(chǎn)品之一，它所帶來(lái)的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)落后于現(xiàn)在的需求，價(jià)格雖然較為便宜但是經(jīng)濟(jì)效益也十分微小。4兆瓦屬于已經(jīng)成熟的產(chǎn)品，性能較為穩(wěn)定，運(yùn)輸和吊裝也較為簡(jiǎn)單，適合一些經(jīng)濟(jì)型的風(fēng)場(chǎng)投資。6兆瓦風(fēng)機(jī)的性能最強(qiáng)，但是價(jià)格也十分昂貴，適合選址在沿海區(qū)域，因?yàn)樗鼘儆谘睾？古_(tái)型風(fēng)機(jī)。

五、結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電是一種清潔可再生的能源，它不會(huì)產(chǎn)生大氣、水污染的問(wèn)題，它是清潔能源必然出現(xiàn)的發(fā)展方向。由于風(fēng)機(jī)所投入的運(yùn)營(yíng)成本極大，并且風(fēng)機(jī)在戶外所面臨的問(wèn)題也十分繁多，所以在對(duì)于風(fēng)機(jī)機(jī)組的選型上需要十分慎重的考慮，不僅需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，也要有多年的試驗(yàn)才可以大批量的投入。