风电机组的高轮毂方案分析

文 | 胡文玉

正在编制中的风电“十三五”规划提出，风电有望逐步改变当前广被视作“替代能源”的地位，上升为未来扛鼎国家能源结构调整主体的地位。根据规划思路，理论上预计，到2020年，国内风电累积总装机可达300GW；到2050年，总装机规模将在此基础上增长9倍达到3000GW，其所消费电量将占据国内能源总消费量的80%，成为名副其实的主体能源。

“十三五”期间，陆上风电仍是重头戏，海上风电定调谨慎，政策方目前拟定的“十三五”规划思路中，对于海上风电的开发定位是“稳妥推进”。目前的方向选择主要以“上山下海”，与之配套的是，业界也加大了研究力度，如开发海上风电机组和山区低风速风电机组等，但风电开发中仍然面临诸如征用地困难、效益指标不高等现实困难，其主要原因是受投资总额限制、风电机组出力不够等因素制约。因此，寻找一个具有更高投入产出效益比的技术经济方案或许是解决问题的方向，由此引出高轮毂方案。

陆上风电开发局限性

一、缺少前瞻性的规划

“十二五”规划的风电装机量目标仍然偏保守，与社会巨大的风电发展需求有一定的脱节，根据“十三五”的初步规划，风电装机规模预期到2020年的原有基础上进行了大幅度提升；另一方面，目前的风电规划注重是从风能资源的角度进行分析，与电网配套的容量分析稍显不足，对土地的有效利用分析缺乏，尤其是风电规划后与之前的相关规划，造成实际风电项目由于与城市建设用地争指标、与土地规划不符、与生态规划冲突等问题，导致规划的落实困难。

二、土地资源的价值有待重视

我国建设项目用地通常采用的是征用地方式和部分采取招拍挂的方式，而风电项目通常位于偏远的地方，采用征用地方式，市场对土地价值的作用有一定的局限性。笔者了解德国通常采用风电投资商邀土地权属人以入股的方式开发风电，对分布式风电开发具有较好的引导作用，也充分体现了土地资源的价值。

三、缺少对更高轮毂高度风能资源的观测和分析

长期以来，我国进行的风能资源观测评估通常以100m为界，除了国家气象层面有一定的中尺度数值分析以外，工程界通常以70、80m测风为主。根据中国气象局 2009 年风能资源评估成果，我国风功率密度到达400－500W/m2及以上的风能资源潜在开发量为1.22TWh亿千瓦，风功率密度到达300－400 W/m2及其以上的风能资源潜在开发量为2.58TWh，风功率密度达200－300 W/m2的风能资源潜在开发量约为1.56TWh。而这里所指潜能仅是50m高度的风能资源分析得出的初步结论，因此，可以说，我国陆上风电还有巨大的开发潜力。

但离地100m上空，尤其是广袤的华中华东华南地区（除沿海以外）到底风速如何，目前还缺少实测和分析工作。

高轮毂高度的风能资源理论分析

一、风速垂直切变

近地层风速的垂直分布主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。在中性大气层结下，对数和幂指数方程都可以较好地描述风速的垂直廓线，实测数据检验结果表明，在多数地区幂指数公式比对数公式可以更精确地拟合风速的垂直廓线，我国新修订的《建筑结构设计规范》也推荐使用幂指数公式，其表达式为：

式中，V2为高度Z2处的风速（m/s）；V1为高度Z1处的风速（m/s），α为风切变指数，其值的大小表明了风速垂直切变的强度。

一般来说，在没有特殊天气背景及陡峭地形的情况下，风速垂直切变受地表粗糙度影响较大，近地面测层风速由于受地表粗糙度影响，风切变较大。越往上，越远离地表的影响，风速越稳定，风切变逐渐变小。

二、已有塔高风切变分析

本文选取江西某风电场内一座100m测风塔资料进行分析，测风塔的海拔高度较低，为H=12m，表1为其实测风资料。

该塔80m与70m测层之间风切变为0.4557，90m与80m之间风切变为0.2470，100m与90m之间风切变为0.1686，各测层之间平均切变为0.2156，详见表2。

三、更高轮毂处的风速预测

参考《风电场风能资源评估方法》，风切变指数α取1/7（0.143）和本测风塔实测的平均风切变指数，以100m测层实测风速为基础，可以推算当轮毂高度H=130m时，轮毂高度处风速V2的结果变化如表3所示。

表1 风电场1503#测风塔年平均风速及风功率统计

表2 1503#测风塔测风期各测层间风切变

高轮毂方案

右图1为德国中部一台轮毂高度为160m高的风电机组安装后的图片，下面分别介绍高轮毂方案带来的风速提升和更加突出的经济效益。

一、平均风速与发电量关系

以一台2MW风电机组为例，经评估的风功率曲线的不同，年平均风速下的年满发小时数如表4所示。表4表明，年平均风速越高，在同等条件下，风电机组的年满发小时数就更高。

二、风电场的效益对比分析

根据上述测风塔资料，查表3和表4，按插补方式可以求得，风电机组在130米轮毂高度处的年发电量比100m轮毂高度处的年发量差为240h。本文以一个50MW装机规模的风电场为例，计算由于塔筒和基础费用变动引起的风电场投资效益对比情况，如表5所示，更高轮毂方案的度电投资更少，项目的整体收益率会更高。

表3 风速随轮毂高度变化情况对比表

表4 风速随轮毂高度变化情况对比表

三、案例分析

以上图1所示德国某台高轮毂风电机组为例，本文收集了此风电机组的设计参数如图2所示。风电机组型号：富兰德FL2500，单机功率：2500kW,叶轮直径：90m，轮毂高度：160m，年发电量：7207.2GWh。

图1 德国某160m轮毂高风电机组

表5 以25台2MW风电机组为例不同轮毂高度的技术经济比较

图2 德国某160m轮毂风电机组的技术参数

经计算，此风电机组的年等效利用小时数高达2880h，相对而言，与同功率80m轮毂高度风电机组高出约40%的电量提升，而投资则只有20%的提升。高轮毂方案具有显著的投资效益。

结论

本文通过对风切变实测资料分析认为，基于正常风速随轮毂高度风速加速的程度来说，只要风电场区域形成一定基数的正切变，更高轮毂高度的风电机组安装将具有更高的投资效益。而有资料分析显示，当离地面一定高度（如超过60m）后，陡峭的山峰处会形成微“负切变”，不利于高轮毂方案，但在广袤的平原地区，风速高度加速的可能性增大，因此，有必要进行高于100m轮毂高度的测风和工程实践活动。