十三五末期，中國(guó)承諾節(jié)能減排目標(biāo)即在2020年可再生能源節(jié)能減排的目標(biāo)已定，彰顯大國(guó)責(zé)任。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源主力的作用也已凸顯，以“新疆、甘肅”為代表的“三北”地區(qū)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展受限，資源開發(fā)技術(shù)的提升和精細(xì)化發(fā)展，以及“長(zhǎng)跑”理念的風(fēng)電戰(zhàn)，已經(jīng)轉(zhuǎn)入“低風(fēng)速”區(qū)域，即：轉(zhuǎn)入中東部和長(zhǎng)江以南區(qū)域。“低風(fēng)速”已成為風(fēng)電十三五發(fā)展的關(guān)鍵詞。適用于類似中東部區(qū)域項(xiàng)目的低風(fēng)速下風(fēng)資源的風(fēng)機(jī)，被稱為低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，那么……
低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組誕生意味著什么
讓我們先看一個(gè)數(shù)據(jù)
地 點(diǎn)：湖北桃花山
風(fēng) 速：年平均風(fēng)速5米/秒
小時(shí)數(shù)：年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)超過(guò)2000小時(shí)。
機(jī) 型：GW115/2000Kw-HH85(輪轂高度)。
湖北石首桃花山低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)
年平均風(fēng)速在5.0米/秒的低風(fēng)速項(xiàng)目，采用低風(fēng)速風(fēng)機(jī)解決方案后，項(xiàng)目年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)超過(guò)2000小時(shí)。湖北石首桃花山風(fēng)電場(chǎng)就是典型的低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)。不少業(yè)內(nèi)、行業(yè)專家和政府能源部門也到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察和踏勘。
據(jù)氣象局最新評(píng)估結(jié)果，中東部和南部地區(qū)風(fēng)速在5.0米/秒以上達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值的風(fēng)資源技術(shù)可開發(fā)量接近9億千瓦。而截止到2015年底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)1.45億千瓦，其中“三北”地區(qū)占71.7%，共1.04億千瓦。從這些數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的誕生將重新掀起一股風(fēng)電發(fā)展的新時(shí)代，中東部和南方區(qū)域風(fēng)電未來(lái)發(fā)展“可為”，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)未來(lái)“可為”。
大勢(shì)所趨：十三五風(fēng)電發(fā)展將“百萬(wàn)雄獅過(guò)大江”
中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)秦海巖，在中國(guó)能源報(bào)微信公眾號(hào)發(fā)表署名文章：《秦海巖：“十三五”風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)著重推進(jìn)“中東部”開發(fā)》。文章觀點(diǎn)認(rèn)為，“要實(shí)現(xiàn)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間的可持續(xù)發(fā)展，就要保證2000萬(wàn)千瓦以上的年度增長(zhǎng)規(guī)模，從而避免因市場(chǎng)大幅萎縮，致使一個(gè)具有良好發(fā)展前景的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)半路夭折；要保證到2020年實(shí)現(xiàn)2.5億千瓦的累計(jì)裝機(jī)，才能兌現(xiàn)我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化減排的承諾目標(biāo)。這些就是要求我們必須調(diào)整發(fā)展布局，加大中東部地區(qū)開發(fā)力度”。文章中所說(shuō)的“加大中東部地區(qū)開發(fā)力度”，就是要加大類似“湖北桃花山項(xiàng)目”的開發(fā)，更是要加大所有可技術(shù)開發(fā)的低風(fēng)速區(qū)域項(xiàng)目開發(fā)。
眾所周知，低風(fēng)速項(xiàng)目開發(fā)，最重要的選擇之一就是選用適應(yīng)低風(fēng)速資源的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)。低風(fēng)速風(fēng)機(jī)，是能夠?qū)⑤^低風(fēng)功率密度的風(fēng)能持續(xù)不斷轉(zhuǎn)換成合格品質(zhì)電能的設(shè)備，在風(fēng)電場(chǎng)中起著非常重要的作用。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，“低風(fēng)速風(fēng)機(jī)”對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)，就好像心臟對(duì)于人類一樣，不斷將“電能血液”輸送到電網(wǎng)各個(gè)需求端。中東部區(qū)域風(fēng)資源項(xiàng)目空間廣闊，不斷“敦促”和“刺激”各風(fēng)電主機(jī)設(shè)備商推出不同系列低風(fēng)速風(fēng)機(jī)。對(duì)低風(fēng)速資源和機(jī)型的系列研究和應(yīng)用，金風(fēng)科技一直走在國(guó)內(nèi)外的前沿，不斷推出具備競(jìng)爭(zhēng)力的低風(fēng)速解決方案機(jī)型。正如金風(fēng)科技董事長(zhǎng)武鋼先生所說(shuō)，“低風(fēng)速機(jī)組技術(shù)是我們一直致力研究的方向之一。”
精細(xì)提升：低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)日臻成熟
低風(fēng)速風(fēng)資源項(xiàng)目的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程。單從機(jī)組來(lái)說(shuō)，大葉輪、高塔架和“葉輪額定風(fēng)況下的最優(yōu)跟蹤”等策略，會(huì)讓低風(fēng)速風(fēng)機(jī)“更有價(jià)值”。
風(fēng)能等可再生能源具有分布廣、密度低的特性，極為適合就近開發(fā)，就近上網(wǎng)使用。中東部的氣候（沿海腐蝕、高溫、 高濕、 寒冷、 高海拔）、風(fēng)資源（風(fēng)速低，湍流大，瞬時(shí)風(fēng)速變化）、局部地形（山地復(fù)雜地形、潮濕區(qū)域）以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展（不限電、好消納）等特點(diǎn)，不同于“三北”區(qū)域特點(diǎn)，這就要求低風(fēng)速風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上要精細(xì)化考慮，能夠最大化、最經(jīng)濟(jì)利用低風(fēng)速資源。
風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理念來(lái)自于貝茨理論和能量公式。我們就以能量公式為主線，通俗地解釋低風(fēng)速風(fēng)機(jī)，如何在“低風(fēng)速”下讓項(xiàng)目發(fā)電更多，讓開發(fā)商有更多收益，創(chuàng)造更多的社會(huì)效益。
能量公式：
P是發(fā)電功率，單位W；
ρ是空氣密度，單位kg/m3；
V是來(lái)流風(fēng)速，單位m/s；
R是風(fēng)輪半徑，單位m；
Cp是風(fēng)輪功率系數(shù)；
η是機(jī)組效率，包含機(jī)械效率、電氣效率與自耗電效率。
這里的ρ是空氣密度，一般是不能改變的。因而，通俗點(diǎn)說(shuō)，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)就是要讓機(jī)型的“R”，輪轂高度處的“V”，機(jī)型的“Cp”，以及機(jī)型的傳動(dòng)“η”，都能綜合取值達(dá)到盡可能的大。當(dāng)然是在保證機(jī)組的設(shè)計(jì)安全、運(yùn)行安全和運(yùn)行維護(hù)安全的基礎(chǔ)上。
1 風(fēng)機(jī)的“R”要“足夠大”，即采用較長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)葉片，增加風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)的能量
增大風(fēng)機(jī)葉輪直徑，就是增加掃風(fēng)面積，我們這里引入“單位千瓦的掃描風(fēng)面積”的概念，單位千瓦掃風(fēng)面積衡量機(jī)組吸入風(fēng)能的水平。例如，直徑是115米，單機(jī)容量是2000kw，那么該風(fēng)機(jī)的單位千瓦掃方面面積就是5.190m2/Kw。如果某機(jī)型的單位千瓦掃風(fēng)面積比這個(gè)小，說(shuō)明吸入風(fēng)能的能力比115-2000的機(jī)型差。當(dāng)然，葉片直徑越大，機(jī)組的載荷和疲勞會(huì)受到較大影響，尤其是軸承、塔筒等承載力也會(huì)隨之變化，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)必須很好的在設(shè)計(jì)上解決這些問(wèn)題。
2 輪轂高度處的“V”要足夠大
“V”是風(fēng)機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速。大家知道，根據(jù)風(fēng)的形成機(jī)理，中東部南方區(qū)域的風(fēng)速比較小，遠(yuǎn)低于“三北”區(qū)域的風(fēng)速。部分地方的風(fēng)速會(huì)隨著垂直高度增加而增加較大，采用高的塔架來(lái)獲取較高的風(fēng)速已經(jīng)成為必然選擇。所以說(shuō)，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)配比的塔筒高度一般較高。目前，歐洲風(fēng)機(jī)的塔架高度已經(jīng)大于140米，主流技術(shù)分別為鋼塔架、混凝土和鋼的混合塔架和柔性塔架等三種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲市場(chǎng)的裝配高輪轂塔架的機(jī)組已經(jīng)超過(guò)15,000臺(tái)套。
目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的輪轂高度一般主流在85米以上，且120米以下。其中，90米到120米期間，主要是混合塔架（下段是混凝土，上部是鋼塔），柔性塔架技術(shù)主要用在120米以上。混合塔架的混凝土工藝分為預(yù)制工藝（用模具預(yù)制好之后拉到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，）和現(xiàn)澆工藝（在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水泥澆灌）。國(guó)內(nèi)后期，將采用多種混凝土高度和多種鋼塔筒高度，進(jìn)行多種排列組合搭配的混合塔架，以及120米的柔性塔架的技術(shù)方案。高塔架的技術(shù)方案的成熟需要至少一年的安全迭代計(jì)算，才能確保機(jī)組的安全。如此才能最大化利用額定低風(fēng)速下的風(fēng)能，這就要求低風(fēng)速風(fēng)機(jī)不斷優(yōu)化控制策略。具有較大裝機(jī)量的設(shè)備廠家在此會(huì)有更大優(yōu)勢(shì)。
3 機(jī)型的“Cp”持續(xù)最大，具有高的吸風(fēng)效率
持續(xù)“額定功率下葉片的最優(yōu)跟蹤”，保證葉輪吸風(fēng)效率持續(xù)最高，是低風(fēng)速風(fēng)機(jī)另一技術(shù)熱點(diǎn)。用通俗的話來(lái)說(shuō)，讓風(fēng)機(jī)在較長(zhǎng)的風(fēng)速段內(nèi)保持最長(zhǎng)且最高的發(fā)電時(shí)間。目前，直驅(qū)永磁全功率變流技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯。
美國(guó)著名咨詢機(jī)構(gòu)FTI發(fā)布《全球風(fēng)電市場(chǎng)2015年分析報(bào)告》，發(fā)布了全球TOP10機(jī)型，其中對(duì)“吸風(fēng)效率”作了說(shuō)明。報(bào)告說(shuō),“它在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破，采用了全新的設(shè)計(jì)概念“額定功率下最佳葉輪跟蹤”，顯著提升了吸風(fēng)效率”。這里說(shuō)的機(jī)型為GW115/2000kw機(jī)型。之所以會(huì)如此，一是直驅(qū)機(jī)組全功率變流的特征， 另一個(gè)是 GW115/2000 機(jī)組葉片技術(shù)的創(chuàng)新，這也是低風(fēng)速風(fēng)機(jī)必須采用技術(shù)之一。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是國(guó)內(nèi)的機(jī)組產(chǎn)品只能從 4～5 米 / 秒的風(fēng)速向上最優(yōu)跟蹤，而 GW115/2000Kw的最優(yōu)跟蹤風(fēng)速往前可以延伸到 2.5 米 / 秒的風(fēng)速區(qū)域， 覆蓋了其他機(jī)組在切入風(fēng)速 2.5 米 / 秒到4 米 / 秒之間無(wú)法最優(yōu)跟蹤的區(qū)域； 同時(shí)， GW115/2000 到 9 米 / 秒 風(fēng) 速 就達(dá)到額定滿發(fā)狀態(tài)， 不需要最優(yōu)跟蹤了， 也覆蓋了其他一些額定功率 10米/ 秒的機(jī)組 在 9 米 / 秒到 10 米 / 秒之間無(wú)法最優(yōu)跟蹤的區(qū)域。
4 選擇機(jī)組的技術(shù)路線使得“η”盡可能大
機(jī)組效率，是指風(fēng)能吸收后，通過(guò)機(jī)械或電氣的損耗后，風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率。目前，市場(chǎng)的“全功率”、“永磁”和“直驅(qū)”的兩兩組合技術(shù)的“機(jī)型”的機(jī)械等效率，會(huì)大于傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。無(wú)齒輪箱的機(jī)組的機(jī)械效率傳遞會(huì)高出3%～5%以上。低風(fēng)速下，兩者表現(xiàn)更為明顯，這已經(jīng)是行業(yè)共識(shí)。
此外，由于低風(fēng)速區(qū)域的環(huán)境復(fù)雜性，使得低風(fēng)速機(jī)組葉片的結(jié)冰處理工藝設(shè)計(jì)和控制策略優(yōu)化、瞬時(shí)風(fēng)速變化導(dǎo)致機(jī)組安全以及控制策略優(yōu)化等，成為低風(fēng)速機(jī)型必須解決的問(wèn)題。不同廠家也采用不同方式和思路來(lái)解決這些問(wèn)題并達(dá)到最優(yōu)。總結(jié)來(lái)說(shuō)就是“高”、“大”、“直”。
說(shuō)了這么多，讓我們看看市場(chǎng)上的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的發(fā)展。
眾所周知，1998年成立的金風(fēng)科技可謂是中國(guó)風(fēng)電發(fā)展的縮影，對(duì)于低風(fēng)速和低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的研究始于2008年，一直走在理論研究，風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的前列，從GW1500和GW2500，再到GW2000。
GW93/1500 機(jī)型使年平均風(fēng)速在 5.5 米 / 秒的風(fēng)電場(chǎng)具備開發(fā)價(jià)值， GW121/2500 機(jī)型使年平均風(fēng)速 6 米 / 秒以上的風(fēng)電場(chǎng)可以獲得較好收益， 尤其是一些風(fēng)速較好、 機(jī)位點(diǎn)相對(duì)較少的風(fēng)電場(chǎng)。目前推出的 GW115/2000 機(jī)型，則再一次將風(fēng)能資源的捕捉區(qū)域下探到了風(fēng)速 5.2 米/ 秒的范圍，這樣可以讓南方市場(chǎng)增加幾千萬(wàn)千瓦的可開發(fā)容量， 大大提升國(guó)內(nèi)南方地區(qū)的可再生能源的利用。同時(shí)， GW115/2000 這款機(jī)型適用于 6.5 米 / 秒以下風(fēng)區(qū)， 與金風(fēng)原有的 GW93/1500、 GW121/2500 機(jī)型形成了針對(duì)低風(fēng)速區(qū)的產(chǎn)品系列，豐富了國(guó)內(nèi)客戶在低風(fēng)速區(qū)的產(chǎn)品選擇。可根據(jù)風(fēng)資源區(qū)域特點(diǎn)以及投資收益的要求滿足客戶的個(gè)性化需求， 通過(guò)“混合單機(jī)容量、混合輪轂高度、混合葉片直徑”等排列組合方式，可“精準(zhǔn)”地確保可開發(fā)區(qū)域項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性保障。GW115/2000 機(jī)型的輪轂高度也非常豐富，分別有80米、85米、100米和120米。正如文章開頭提及的湖北石首桃花山項(xiàng)目就使用的GW115/2000機(jī)型。
低風(fēng)速風(fēng)機(jī)在未來(lái)必然“拳腳大開”。不斷迭代演進(jìn)的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)，投入到中東部區(qū)域，意味中國(guó)風(fēng)電發(fā)展迎來(lái)一個(gè)暫新的“低風(fēng)速技術(shù)”時(shí)代。中東部和南方區(qū)域風(fēng)電未來(lái)發(fā)展“可為”，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)未來(lái)“可為”。從另外維度來(lái)說(shuō)，只要國(guó)家制定支持政策，按照設(shè)計(jì)節(jié)奏來(lái)解決棄風(fēng)限電等問(wèn)題，通過(guò)這些低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的來(lái)開發(fā)對(duì)應(yīng)的可開發(fā)容量，我國(guó)的2020-2050國(guó)家戰(zhàn)略以及對(duì)國(guó)際的碳排放承諾是可以兌現(xiàn)。
按照每年2000萬(wàn)的建設(shè)容量計(jì)算，到十三五末期，低風(fēng)速區(qū)域?qū)?huì)為社會(huì)效益貢獻(xiàn)的增加值，不少于為社會(huì)節(jié)約標(biāo)煤7，256萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放約20，941萬(wàn)噸，減少二氧化硫排放12.08萬(wàn)噸，減少氮氧化物16.37萬(wàn)噸，社會(huì)效益可觀。
