不同风切变条件下风电场风机轮毂高度选取分析

上海电力设计院有限公司 ■ 杨智奇

1 概况

1.1 背景

可再生能源形式主要有太阳能发电、风力发电、垃圾发电、生物质发电、潮汐发电、地热能、水利发电、燃料电池等。而风力发电是当今世界新能源开发中技术最成熟、最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、减少温室气体排放、促进可持续发展方面的突出作用，越来越受到世界各国的高度重视，并得到广泛的开发和应用。

1.2 研究内容

本文通过分析目前技术较成熟、商业化运行最多的单机容量1500 kW的水平轴风力发电机组，选取叶轮直径87型风电机组在不同地区、不同风速廓线下，不同轮毂高度下的理论发电量进行估算，并结合经济性评价，总结出不同地区不同风况下的最佳轮毂高度匹配性结果，为不同区域风电场风电机组轮毂高度选择提供前景预测。

2 风能利用

2.1 风力发电机组基本原理

风力发电机组是将风的动能转换成机械能或电能的装置。风机风轮叶片在风的作用下产生空气动力使风轮旋转，将动能转换成机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能[1]。

风轮尾流不旋转时的动量理论如图1所示。

连续性假设：A1V1=AV=A2V2 (1)

图1 风轮尾流不旋转时的动量理论

式中，V为平均风速；A为扫风面积；ρ为空气密度；P为风轮吸收的能量；C为风轮吸收效率。

在理想情况下，风轮最多能吸收59.3%的风动能[2]。

2.2 风能利用

风能可用“风能密度”来描述，空气在1 s内以速度V流过单位面积产生的动能称为风能密度。公式如下：

式中，V1,V2…Vi,…Vn分别为不同高度的风速；Ai为不同高度有效风面积；N为总小时数；Cp为风能利用系数。将各高度的风能密度乘以面积相加求和再乘以总时间数，即可得到总的理论发电量。

3 风切变对风电机组发电量的影响

3.1 计算条件假设

1)大气层结性质为中性层结；

2)风力发电机扫风面积内风速随高度变化规律呈指数分布；

3)风在水平方向无切变；

4)风速频率分布满足Weibull分布；

5)空气密度为标准空气密度。

3.2 风机发电量计算方法

由于87型风电机组叶轮直径约为87 m，将其扫风面积按照1 m的高度进行等分，划分为87份，假设每等分面积内具有相同的风速，则每等分区域内具有的风能为[3]：

根据目前市场上1.5 MW风机实际情况，基准轮毂高度普遍在70 m，因此本阶段选取最低轮毂高度为70 m，而后每次增加轮毂高度1 m，最终轮毂高度达90 m。通过上述轮毂高度的变化，计算出各轮毂高度上扫风面积内风能的变化情况，其过程示意图如图2所示。

图2 风机扫风面积风能划分示意图

3.3 不同风切变下风速和风能分布

3.3.1 不同风切变下风速分布

根据目前在建风电场风资源情况，风电场70 m轮毂高度处平均风速一般约为6.5 m/s。为便于分析，本阶段假设70 m高度风速为V70=6.5 m/s，分别计算标准风切变α=0.143，以及较小风切变指数α=0.07和较大风切变指数α=0.2下的各高度风速，结果见表1。风速廓线如图3所示。

表1 V70=6.5 m/s各风切变值下不同高度风速(m/s)

图3 V70=6.5 m/s各风切变值下风廓线示意图

当V70=6.5 m/s时，不同的风切变值，平均风速随高度的变化速率不同。风切变指数越大，随高度增加风速增加的速率越大。

3.3.2 不同风切变下风能分布

按照公式(7)，计算出各轮毂高度下机组扫风面积范围内所包含的风能,如表2所示。随着风切变越大，风能随高度的增加率便越大。

表2 70 m同等风速下不同切变的各轮毂高度的风能

3.4 相同风切变、不同风速条件下风能分布

3.4.1 相同风切变下风速分布

利用标准切变值α=0.143，通过对70 m高度风速为6.5、7.0、7.5 m/s进行等切变递推，得到各高度下的风速值，结果见表3，风速廓线见图4。

表3 标准切变下风速随高度的变化

3.4.2 相同风切变下风能分布

经计算，上述3种风速廓线下不同轮毂高度的风能如表4所示。

图4 相同风切变值下不同风速风廓线示意图

由表4可知，随着轮毂高度的增加，风能也相应增加，但增加幅度有所减小；同高度风能的增加率与风速大小无关，与切变指数相关。

4 不同风切变下轮毂高度比选

4.1 风电场经济效益

影响风电场建设项目经济效益的主要因素包括：风资源、总投资、运营成本及上网电价。为提高风电场的经济效益，需要在合理上网电价的前提下，尽量提高风资源，降低总投资和运营成本，如图5所示[4]。

表4 标准切变下风速随高度的变化

随高度的上升，风速呈逐步增大的趋势，风功率密度也将随之提高，因此风机轮毂高度的变化将对发电量造成显著变化。单纯从获取更多风能的角度，轮毂高度越高，发电量也随之越大。

但当风机轮毂高度增加到一定程度时，尽管发电量有所提高，但工程的投资和施工技术要求必将同时增加。因此，需对风机轮毂高度的选择进行经济技术比较，采用适宜风电场的风机轮毂高度，以达到投资优化的目的。

图5 提高风电场经济效益模型示意图

本阶段，分别对风切变指数为0.07、0.143、0.2情况下的风电场不同轮毂高度下差额内部收益率进行比较，以对不同风切变条件下风电场轮毂高度选取进行优化。

4.2 发电量

在3种风切变条件下，不同风速、不同轮毂高度下的发电量如表5所示。

表5 3种风切变条件下，不同风速、不同轮毂高度下的发电量计算表

4.3 主要经济费用差额比选

不同风力机轮毂高度，其差别主要有4个方面：风资源、塔架、基础、施工吊装。根据比较分析计算，不同轮毂安装高度技术经济比较成果见表6～表8。

由比较结果可见，风切变指数的增加及风电场风力机轮毂高度处平均风速的增加，都可以使增加轮毂高度后风电场年发电受益增加。选择更高的轮毂高度后，投资-收益的差额内部收益率也逐步增加。

表6 V70=6.5 m/s时各安装高度技术经济比较成果表

表7 V70=7.0 m/s时各安装高度技术经济比较成果表

表8 V70=7.5 m/s时各安装高度技术经济比较成果表

但对于风切变指数及轮毂高度处平均风速相同的情况，由于发电量增加量随着高度的增加逐渐变小，而投资增加量随着高度的增加逐渐加大，因而投资-收益的差额内部收益率会随着轮毂高度的增加逐渐变小。

5 结论

由以上分析可以看出，塔架高度越高，风电场发电量越好，但同时投资也增加。根据风资源水平的不同，投入-产出的差额内部收益率也发生变化。风力机轮毂高度应按照风电场现场风能资源特性及投资费用进行差额比选。一般来说，风电场风力机轮毂高度选取可遵循如下规律：

1)当风电场现场风切变水平较大时(α>0.2)，应适当增加风电场风力机轮毂高度(H>80 m)，直至轮毂高度增加后，投入-产出的差额内部收益率接近基准收益率(一般按10%计)为止，以保证风电场获得更佳的发电量受益；

2)当风电场风切变水平较小时(α<0.07)，风电场轮毂高度不宜过高(H<75 m)，根据当前主流风力机情况，轮毂高度宜在65～75 m之间选择；

3)当风电场风切变水平适中时，轮毂高度的选择应同时考虑风电场风资源特性；在一定范围(不改变IEC等级)下，风电场平均风速较大时，可适当增加风力机轮毂高度。

[1] 李鸿秀, 朱瑞兆. 关于风切变指数对轮毂高度影响的探讨[A]. 第五届亚洲风能大会论文集[C], 北京, 2008.

[2] 陈欣, 宋丽莉, 黄浩辉, 等. 中国典型地区风能资源特性研究[J]. 太阳能学报, 2011, 32(3): 331－337.

[3] 顾乔祺. 从风力资源谈风力机的选择[J]. 东莞理工学院学报, 2006, 13(4): 101－108.

[4] 张文宝, 王友. 风电场不同机组技术经济性的分析[J]. 能源技术经济, 2011, 23(3): 46－48, 58.