淺析丨風(fēng)電機(jī)組功率曲線問(wèn)題及爭(zhēng)議
提高風(fēng)電機(jī)組效率、降低度電成本是業(yè)內(nèi)人士的共同愿望,但過(guò)度強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率,而忽視機(jī)組遠(yuǎn)期故障幾率、部件損壞及長(zhǎng)期度電成本,必然會(huì)顧此失彼,得到與初衷相反的效果。因業(yè)主對(duì)功率曲線的“嚴(yán)格”要求,國(guó)內(nèi)不少本該出保的風(fēng)電場(chǎng),因功率曲線問(wèn)題的分歧和爭(zhēng)議,遲遲未能出保,該付的款項(xiàng)沒(méi)有得到應(yīng)有的支付。為了出保,廠家不得不在生成功率曲線的各個(gè)環(huán)節(jié)上作文章。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝,有的廠家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功率曲線甚至進(jìn)行了大膽的修飾,良莠不齊的功率曲線論證公司也應(yīng)運(yùn)而生。因此,不少功率曲線的真實(shí)性及論證的合理性值得懷疑。
風(fēng)能利用技術(shù)與提高機(jī)組效率
所謂功率曲線就是以風(fēng)速(Vi)為橫坐標(biāo),以有功功率Pi為縱坐標(biāo)的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(duì)(Vi,Pi)所描述的特性曲線。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(ρ=1.225kg/m?)的條件下,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱(chēng)風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。
風(fēng)能利用系數(shù)是指葉輪吸收的能量與整個(gè)葉輪平面上所流過(guò)風(fēng)能的比值,用Cp表示,是衡量風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中吸收的能量的百分率。根據(jù)貝茲理論,風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593,風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系。
翼型升力和阻力的比值稱(chēng)升阻比。只有當(dāng)升阻比和尖速比都趨近于無(wú)窮大時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)才能趨近于貝茲極限。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的升阻比和尖速比都不會(huì)趨近于無(wú)窮大。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過(guò)相同升阻比和尖速比的理想風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)。采用理想的葉片結(jié)構(gòu),當(dāng)升阻比低于100時(shí),實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過(guò)0.538。
水平軸風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)葉片幾何外形(包括葉片個(gè)數(shù)、弦長(zhǎng)及扭角分布、截面翼型形狀等),目的是獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)和最大年發(fā)電量,同時(shí)降低葉片載荷。而這三個(gè)目的有時(shí)會(huì)發(fā)生矛盾。與理想風(fēng)電機(jī)組不同,除升阻比只能為有限值外,實(shí)際風(fēng)電機(jī)組還要考慮兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題:
1、考慮有限葉片數(shù)造成的功率損失。有限葉片數(shù)對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜,這里僅給出部分計(jì)算結(jié)果。對(duì)于理想葉片形狀,在升阻比為100時(shí),尖速比只有在6-10的范圍內(nèi),有限葉片風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)才有可能微微超過(guò)0.500,如果升阻比下調(diào)到100以?xún)?nèi)的實(shí)用區(qū),功率損失會(huì)更大。
2、理想葉片的形狀十分復(fù)雜,難以加工制造,實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的葉片必然采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。另外在考慮葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、變形、離心剛化和氣動(dòng)阻尼作用,以及考慮機(jī)組成本、年輸出功率等問(wèn)題時(shí)都會(huì)對(duì)葉片形狀提出其他方面的要求,這又會(huì)進(jìn)一步降低風(fēng)能利用系數(shù)。
有限葉片數(shù)造成的功率損失是無(wú)法避免的,葉片的易加工性、成本、強(qiáng)度、振動(dòng)等諸多導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)降低的實(shí)際問(wèn)題也是必須考慮的因素。綜合理論計(jì)算和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析,實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)難以超過(guò)0.500。
為了計(jì)算簡(jiǎn)便,在實(shí)際Cp值折算時(shí),常把機(jī)組發(fā)電功率視為葉輪所吸收的風(fēng)能。由于以下幾方面的原因:機(jī)組轉(zhuǎn)速只能在運(yùn)行風(fēng)速內(nèi)的部分風(fēng)速段較準(zhǔn)確地跟蹤葉尖最佳速比;變槳、偏航、部件冷卻等機(jī)組有自耗電;因風(fēng)能資源的復(fù)雜多變,實(shí)際機(jī)組不可能準(zhǔn)確對(duì)風(fēng);當(dāng)葉輪吸收能量后,還必須通過(guò)機(jī)組諸多部件(如:齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器等)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化,當(dāng)經(jīng)過(guò)這些部件時(shí),必然有能量損失。因此,在不同風(fēng)速下,由實(shí)際發(fā)電功率計(jì)算出來(lái)的Cp值會(huì)更低,有不少風(fēng)速段的Cp值遠(yuǎn)低于0.5。
國(guó)外有個(gè)別廠家為了提高實(shí)際機(jī)組效率,在葉片輪轂的流線形狀、部件性能等多環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的研究和大的投入,制造出了最高Cp值超過(guò)0.5的“神機(jī)”,但是,因其設(shè)計(jì)和制造難度增大,勢(shì)必使機(jī)組的生產(chǎn)成本增加,投資回報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)。
目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,用戶(hù)不僅在機(jī)組招標(biāo)時(shí)選擇功率曲線優(yōu)秀的機(jī)型,而且,在機(jī)組投運(yùn)后,不少業(yè)主還希望通過(guò)調(diào)整機(jī)組控制策略,提高機(jī)組效率和優(yōu)化功率曲線。然而,如不顧當(dāng)前的技術(shù)水平,忽視機(jī)組遠(yuǎn)期維護(hù)成本和故障幾率,片面地強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率,勢(shì)必使機(jī)組長(zhǎng)期度電成本增加,最終,必然是得不償失。
就風(fēng)電機(jī)組的控制算法而言,目前尚未有集所有優(yōu)點(diǎn)于一體的控制算法。設(shè)計(jì)高性能的風(fēng)電機(jī)組控制策略需針對(duì)具體風(fēng)能環(huán)境,兼顧控制成本和控制目的,最大限度地量化控制指標(biāo),實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化功率曲線時(shí),應(yīng)兼顧部件及機(jī)組壽命、故障幾率以及機(jī)組自耗電等,例如:把低風(fēng)速段不變槳且輪轂處于休眠狀態(tài)的控制方式修改為小風(fēng)調(diào)槳的控制策略,從原理上講,這的確可使低風(fēng)速段的葉輪Cp值增加,必然使輪轂部件的工作時(shí)間大大增加,機(jī)組自耗電增加,部件壽命縮短,故障幾率增加。所以,這種修改未必可取。
因此,在選擇機(jī)型時(shí),應(yīng)考慮機(jī)組的綜合性能。例如:機(jī)組使用方便,遠(yuǎn)期維護(hù)和維修成本低,絕大部分故障可通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行檢查和診斷等;在優(yōu)化功率曲線提高機(jī)組效率時(shí),應(yīng)綜合考慮各種因素,避免對(duì)機(jī)組部件壽命和長(zhǎng)期維護(hù)成本造成不良影響,獲得更優(yōu)的度電成本。
用風(fēng)能系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)(理論)功能曲線的真實(shí)性
由上面分析可知,現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般不超過(guò)0.5,因此,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)(理論)功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù),可以較為簡(jiǎn)便地核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(理論)功率曲線的真實(shí)性。
表1、表2分別示出了某國(guó)產(chǎn)和國(guó)外品牌1.5MW和2.0MW機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算出的風(fēng)能利用系數(shù)。國(guó)產(chǎn)機(jī)組在1.8m/s和2m/s的風(fēng)能利用系數(shù)均超過(guò)0.8,4m/s-6m/s風(fēng)能利用系數(shù)超過(guò)0.6。如是理論功率曲線,則已超過(guò)了貝茲極限,其真實(shí)性值得懷疑;如為實(shí)測(cè),應(yīng)是測(cè)量偏差或其他原因造成。而國(guó)外機(jī)組在不同風(fēng)速下由功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù),則較符合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律與控制特性。
表1、1.5MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)
表2、2.0MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)
注:表1、表2中,計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)時(shí),機(jī)組的發(fā)電功率視為了葉輪所吸收的電功率,因此,得到的Cp值比葉輪風(fēng)能利用系數(shù)值低。
責(zé)任編輯:小琴
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