小型风力发电机应用分析及评价

章伟，邓院昌，曾雪兰

（中山大学工学院,广东广州510006）

近年来，我国风电产业呈现迅猛发展态势，2010年我国风电装机容量已跃居世界首位[1]。小型风电是风电产业的一项补充，大型风电产业不能完成或不能解决的问题要由小型风电产业来完成。中国疆域广阔，风资源分布不均匀导致风电开发呈现出多样性的特点：年平均风速6 m/s或以上的高风速区（如三北地区、沿海地区）多建立大型兆瓦级风力发电机组，但这些地区的风资源已趋饱和，海上风电短期内又难以大规模开发；年平均风速为3～5 m/s的低风速区，如安徽、湖北、福建和云南等省份，虽不具备发展大型风电的条件，却是发展小型风电的沃土，因此推广应用小型风力发电机组具有较大的市场空间。

国内外对小型风力发电机的研究较多，文献[2-4]关注小型风力机在行业中的实际应用，文献[5-6]研究了小型风力发电机的控制系统及控制策略，文献[7-9]则针对经济效益指标对小型风力机发电系统进行分析评价。

本文首先概述了小型风力机的定义及应用现状，在其技术特点分析的基础上，利用具体示例对大小型风力发电机的风资源标幺值、满发小时数进行比较分析，并采用平均发电成本这一指标考查了小型风力机的经济效益，对小型风力机的发展优势进行了宏观和具体量化的分析与评价。

1 小型风力机应用现状

目前，美国依然是引领全球小型风能产业市场的大国，由于扶持政策到位，其小型风力发电市场份额占据了全球的49%，并且主要是分布式并网的应用；英国小型风电发展迅猛，它采取了许多政策来鼓励小型风能产业的成长，通过一系列法规的重新修订来促进在特定的地点安装风力发电机组；德国颁布了《可再生能源法》，政府不仅提供补贴，并根据具体的风资源情况制定保护价及收购时间，通过政策扩大小型风力机的应用领域；俄罗斯成功研制出移动式小型风电机，可机动运输、操作简便，能满足野外考察队简便、持续地获得电能的需求；荷兰地区也已有许多居民安装家用小型风力发电机[10]。

2011年7月国家能源局出台了关于分散式接入风电开发的重要通知[11]：要求各相关部门根据我国风能资源和电力系统运行的特点，在规模化开发大型风电场的同时，因地制宜、积极稳妥地探索分散式接入风电的开发模式，以分散方式多点接入低电压配电系统的风电机组，暂不用为接入风电而新建变电站、所，不考虑升压输送风电，单机容量可视具体情况灵活使用。且加强低风速风电开发已被纳入“十二五”风电发展规划，这就为大力发展低电压配电系统的小型风力发电机提供了良好契机。

据小型风力发电机发展报告统计，我国小型风力机的保有量超过14万台，成为世界上保有量最多的国家。图1为我国小型风力机产量。

2004年之前小型风电机组以解决农村供电为主，主要服务对象为有风无电或缺电地区的广大农、牧、渔民地区，产量的增长十分缓慢。自2004年以来，小型风力机产量开始以突飞猛进的速度增长，其应用出现了转向，在内陆湖泊、近海养殖、高速公路检测、海上交通管理、气象台站、电视台转播、微波通讯基地、城市路灯系统中得到了广泛应用，并且逐渐进入工业领域。目前已有机组用于给油田的抽油机供电，以绿色电力代替了常规电力。

2 小型风力机技术特点

小型风力发电机体积小，重量轻，安装维护方便，工作寿命长，价格低廉，在城市建设中有得天独厚的优势。得益于小型风力机制造技术的发展，风轮的最大功率系数已由初期的0.30左右提高到0.42左右，发电机效率从普通电机的0.50提高到现在的0.75以上，有些还可以达到0.82[12]。具体方面表现在：

1）风速区间。一些小型风力发电机组的启动风速、额定风速低，从而延长了风力机的有效工作时间，提高了风能资源的应用范围。对于一些风资源状况不适合建立大型风力发电场的地方，小型风力发电机组仍然可以得到推广应用，且不需要做复杂的风电场选址等前期工作。

2）土地利用。大型并网风力发电对场址的地域性有严格的要求，需要集中占用大片土地，并且场址一般离用户较远。而小型风力分布式发电在乡镇、村庄，城乡结合部等大型风场无法利用的地方都能安装，且单位占地面积少。无论是离网还是并网方式，一台风力发电机组就能工作，在房前屋后农民自家地里就能安装。用通俗的话说，“农民在地里不仅种庄稼，还可以种风力发电机”，有效地节约了土地。

3）电力传输。大风电场必须解决上网电力的传输问题，而小型风力发电机由于就地就近在用户侧上低压电网，不需要复杂的电网接入控制系统，不需要输配电系统，对电网接入几乎没有特殊的要求，而且大部分的电力就地消费，不存在电网输送和电力调度问题。

4）分布并网。小型风力发电机的分布式并网具有很多优点。可就近就地分散供电，进入和退出电网灵活，不需要电网的远距离输送，有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗，起调峰作用。

小型风力机根据应用场合的不同分为离网型和并网型风力发电机。离网型风力发电机在无电网或并网难的地区可得到相应的应用，它功率较小，需要与蓄电池和其他控制装置共同组成独立运行风力机发电系统。风力机发出的电量用蓄电池储存起来，可直接用于供给直流负载；对于需要交流电的负载，则只需在蓄电池与负载之间加装逆变器[13]；并网系统也相对大型风电场的简单，它由数台中小型风力机并联，通过三相整流桥管并入直流母线，经并网逆变器的三相交流输出端接到电网。它能自动控制电网与风力发电机间的能源合理匹配。图2为小型风力机的离网和并网系统图。

图1 我国小型风力发电机产量Fig.1 Production of small wind turbines in China

图2 离网和并网系统图Fig.2 Off-grid and on-grid system diagrams

3 风资源利用

为评价小型风力机风资源利用能力，本节选用大小2种风力发电机进行对比。850 kW大型风力机，其风轮直径为52 m，切入风速4 m/s，额定风速20 m/s，重量（不含塔架）为5700 kg；1.5 kW小型风力机风轮直径为3.2 m，切入风速3 m/s，额定风速10 m/s，重量（不含塔架）为350 kg。为了便于研究不同风力机在切入风速与额定风速之间的出力变化规律，现引入功率标幺值的概念，即机组实际输出功率与其额定功率的比值。图3为2种风力发电机的功率标幺值变化。

图3 2种风力机功率标幺值Fig.3 Power per-unit of two kinds of wind turbines

由图3可知，在低风速区间，小型风力机对风资源比较敏感，且切入风速低，风资源利用效率比大型风力机高。这对于低风速地区有很好的应用潜力。

以汕尾市海丰县2010年1月至2010年12月某测风站点30 m和50 m高测风数据为例，对大、小型风力发电机的年发电量进行计算。由于大、小风力机的塔架安装高度不同，故在计算时根据不同类型风力机选用不同高度的风速。本文大型风力机选50 m高风速值，年平均风速为4.2 m/s；小型风力机选30 m高风速值，年平均风速为3.6 m/s。进行年发电量计算时，相应的风速不作分布拟合，根据国际IEA组织推荐的风频理论比恩计算法，在风频分布理论计算时，把风速的间隔定为1 m/s，按风速间隔的归属区来划分区域，风速在某一时间内的平均值落在哪个区间，则该区间的小时数累加值加1。区间的风速用中值表示来统计风速小时数，再直接利用风力机的测量功率值，将风速区间的统计频数与对应的风力机功率的乘积求和得出年发电量值。表1为相应的发电量统计结果。计算公式为：式中，w表示年发电量；Ci表示风速落在第i风速区间的小时数；p（vi）表示风力机对应风速区间的功率值；n表示风速区间。

根据发电量统计结果，对这2种类型的风力发电机进行满发小时数分析。满发小时数计算公式如下：

表1 发电量统计Tab.1 Electricity statistics

式中，N表示满发小时数；w表示年发电量；pe表示额定功率。

计算后得知1.5 kW风力机的年满发小时数为735.6 h；850 kW风力机的年满发小时数为428.5 h。可见，在该地区小型风力发电机相对大型风力机对风资源的利用率更高。

因此，在风速相对较低的地区，采用小型风力发电机比大型风力机在风资源利用、满发小时数方面均有优势。

4 经济效益分析

根据美国风能协会的有关分析，小型风力发电机组的离网发电系统每瓦投资为1.5～3.0美元，每度电成本为0.10～0.15美元；而光伏发电每瓦投资为5～7美元，每度电成本为0.4美元[10]。无论是初期投资还是每度电成本，小型风力发电都比光伏发电要低。并且我国的小型风力发电机组价格和美国相比要低得多，随着相关激励政策的支持，规模化生产小型风力机，其生产质量将上升，成本也将逐渐下降。

小型风力机分布式并网发电技术在我国的利用仍处于起步阶段，充分认识其经济效益有助于引导电力用户和公司以及政策制定部门更好地开发该技术。评价风电项目的一项重要指标是平均发电成本[14]。在实际风电项目经济评价时，可用平均发电成本的高低为判别原则来比较优劣。平均发电量成本的高低受发电量、初始投资、折旧率、各年的投资及运行维护成本、折现率等因素的影响。结合投资成本和运行成本,可综合反映风电项目的经济性。由于小型风力机分布式并网中风力机量多，成本大，因此有必要考虑长期投资经济性。

平均发电成本计算公式为：

式中，C0表示总投资成本；C1表示初始投资成本；C2表示运行维护费；CW表示经济寿命周期内的发电成本；n表示经济寿命周期；p表示折现率（本文取10%）；Di表示第i年的成本；f表示折旧率。

根据上节中1.5 kW的小型和850 kW的大型风电机组，对其进行平均发电成本计算来分析比较其经济性。其中大、小型风力机使用数据参考当前实际市场价格。表2为相应的计算结果。从中可知，小型分布式风电项目投资回收期内的平均发电成本低于大型风电项目。

除此之外，大型风力机单台成本高，原材料、零部件的采购金额大，并且部分紧缺的配套零部件供应周期长、付款方式也较为苛刻，一般需先支付70%～80%的预付款才能拿到配套零部件，风电场造价高，机组运输费用高，而本地用电需求量又少，限制了人类对风能的利用；而小型风力发电机单台成本廉价，组装简易、付款方便，运输费用及维护费用少，因此小型风力应用门槛很低。综上所述，小型分布式风电项目具备较高投资价值。

表2 2种风力机经济计算结果Tab.2 Economic calculation of two kinds of wind turbines

5 结语

小型风力发电机在风速利用范围、占地面积、电力传输、储能等方面有很好的优势，在风资源利用率、满发小时数上优于大型风力机，经济效益方面也具较高投资价值，是值得广泛发展的一类产能设备。

随着国家《可再生能源法》及《可再生能源产业指导目录》的制定，市场的培育和生产技术的改进，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，这必将提高小型风力发电机生产企业的生产积极性，促进产业快速健康发展。目前国际上正在积极发展小型风电作为分布式电源，在今后几年的可再生能源的发展应用中，小型风电市场将更加广阔，将成长为一个非常有前景的分布式发电领域。

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