低风速风力发电机组造价与度电成本分析

赵明娇 万立志

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 130021

摘要：本文的研究目的是提升风力发电机组在低风速模式下工作的经济效益，为了达到该目标，本文设计了一款改变叶片结构而缩减机组耗电成本的新方案。本文的研究对象是功率级别相等但叶片长度不等的三款风力发电机组，然后分别核算不同风力情况下每款机组的年发电总量，通过经验公式来核算每款机组的总成本。研究结果说明：机组的耗电成本和其风速之间存在一定的联系，平均风速越快，消耗的电量反而越小。若是发电机组在平均风速较快的地方工作，那么叶片较长的机组所消耗的电量基本是不变的。但是若是在平均风速比较慢的区域工作的话，机组所消耗的电量和叶片长度之间是有联系的，叶片越长消耗的电量越多；虽然机组的整体成本直线增加，但是耗电成本却是有所减小。除此之外，对叶片的最佳叶尖速比进行调整使之变小，对利用系数进行调整使之变大，都可以使耗电成本缩减。本文还针对叶片长度的科学甄选、翼型的合理优化和新型材料地合理运用进行了探究以提升机组的经济收益。

关键词：风力发电；低风速；叶片长度

1 风力发电机组的评估标准

1. 1 年发电量

风力发电机组的年发电量不光和机组本身的功率曲线有联系，还和机组的工作区域的风力环境有联系。其核算公式表达为

公式当中的 表征切入的风速大小， 表征切出的风速大小， 表征机组处于风速 时所输出的功率大小， 表征风速v所产生的概率。在后文中，风速间隔 的取值等于0. 01m/s.

1. 2 总成本

风电机组的总成本不单单取决于项目的起始投资数额，还取决于风电机组一年的维修保护所花费的金额。项目起始投资数额涵盖两个部分，其一是风电机组的总体价；其二是风电场的投资金额。项目起始投资数额需要每年按照规定的比例付清。风电机组一年多的维修保护费用主要取决于风电机组的功率级别和风电机组一年的发电量，这笔费用成本占据着总成本较小的比例。总成本的计算公式可利用文[7]当中的经验公式加以核算，三级齿轮箱的双馈变速风力发电机组每一部分的成本计算的经验公式在表1中详细说明。

表1 风电机组各部分成本核算 （＄）

项目	经验公式
风电机组成本
叶片
轮毂
变桨距机构
低速轴
主轴承
发电机
变频器
偏航机构
机舱主体
机舱外壳
开关、配线
油系统
控制系统
塔
齿轮箱
风电场成本
基建
运输
土建
安装
变压器、路线
工程设计
年维保护费用
部件更换
维护

备注：其中R表征风轮的半径，H表征轮毂的高度，P表征机组的额定功率，PAE表征年发电量。

1. 3 度电成本

对风力发电机组的经济收益加以衡量的时候，通常选择单位能量成本（COE）也就是度电成本为衡量标准。即发电机组的总成本除以年发电量便可算得，公式表达为：

公式当中：I表征的是项目起始投资，R表征的是等额资金回收系数，C_o&M表征的是年运行维修保护费用，P_AE表征的是机组年发电量。机组的度电成本受到叶片长度的影响程度最深。叶片长度增加，风轮扫过的面积也会随之变大，这对捕获风能更加有益。但是，叶片的重量和叶片的长度之间呈3次方的趋势变大，变桨距机构和传动机构等所具备的机械强度标准也要相应提升，所以，机组的每一部分的成本费用也会随之增加。倘若发电量的增加幅度比机组总成本的增加幅度大，那么度电成本便会随之缩减。

2 不同机组在不同风力环境中的度电成本对比

将高度为十米处的平均风速设置为5.1m/s , 7.0m/s ,9.0m/s ，以此来以模拟风速不同的风电场（分别命名为WF1, WF2, WF3) ；三种风电场中风电机组的叶片长度分别设置为5m , 40m , 45m。参照每种风机组所具备的风速－功率关系，核算每种机组的度电成本。

2. 1 条件设置

·假定风速满足Rayleigh分布规律；

·风切变指数设置为1/7 (0. 143) ;

·风轮的最佳叶尖速比设置为8. 1;

·风能利用系数最大值设置为0. 48;

·叶尖速度的最大值设置为80m/s;

·空气密度设置为1. 225 kg/m.

3种变速风力发电机组的每一项参数在表2 进行详细说明。每种机组所使用的发电机都选择为双馈异步发电机，齿轮箱中都是3级行星／平行轴齿轮箱。

表2 变速风力风电机组具体参数值

机组	额定功率 （kW)	风轮直径 （m）	轮毂高度 （m）	切入风速 （m/s）	额定风速 （m/s）	切出风速 （m/s）

2. 2 计算结果对比

表3中详细说明了不同风力环境中每种机组的发电量和总成本数额的对比，表4中详细说明了度电成本的对比。

表3 不同机组的年发电量及总成本对比

风速	机组	年发电量		总成本
m/s	代号	增幅/%		总成本/万元 增幅/%
5.1			－	189.68	－
				217.06	14.42
				248.72	31.11
7.0			－	209.21	－
		7741.1	18.95	237.67	13.58
		8715.6	33.93	269.39	28.72
9.0		8667.6	－	223.22	－
		9721.0	12.14	250.46	12.21
		10468.9	20.77	280.72	25.75

表4 不同机组在不同风力环境下的度电成本对比 (元/kWh）

风力条件
	0.5455	0.4767	0.4503
	0.3215	0.3071	0.3087
	0.2575	0.2575	0.2679

由上表可知，相同机组的年发电量会因平均风速的提升而变大，但是总成本变化不大，所以度电成本有所缩减。倘若在相同的风力环境当中对比不同的发电机组的度电成本则不难发现：风速较慢的时候，度电成本会因叶片的长度值的增加而减小；风速较快的时候，叶片长度的改变不会对经济收益产生明显影响。

造成这一结果地原因是当机组的额定功率不变的时候，叶片的长度值越大，额定风速值的设定可以越小。当机组在风速较慢的WF1区域工作的时候，低风速产生地概率会相应提高，所以，在叶片长度值较大的区域WTG3和WTG2工作的机组在自身额定风速上下工作的机率比较大，而且当风速比额定风速低的时候，机组的输出功率比WTG1高，所以，哪怕机组的总成本增加了，年发电量也会显著提升。然而度电成本却会仍然有所缩减。

3 结论

在风力发电机组所有地部件当中，风轮是必不可少的一个，为了保障风力发电机组能够以高效率、低成本的模式工作，就要对风轮当中的叶片加以改进，进行科学恰当的设计。

当发电机组在低风速区域工作时，要对叶片长度进行调整使之变大，这能够促使风电机组的年发电量显著提升，虽然机组的单位功率设备的成本随之增加，但是单位能量成本会随之缩减。除此之外，针对叶片的外形加以调整也能够使机组的发电量显著提升，进而促进经济收益。日后将进一步使翼型获得改进并考虑新材料在叶片当中的使用，以期改善叶片地综合性能，使得风电综合成本获得缩减。

参考文献

[1] 王正明，路正南. 风电成本构成与运行价值的技术经济分析[J]. 科学管理研究，2009, 27 (2) : 51-54.

[2] 于汉启. 我国风电发展的成本与风机选型研究[D]. 北京：华北电力大学，2009.

[3] 李远. 基于风能资源特征的风电机组优化选型方法研究[D]. 北京：华北电力大学，2008.