低风速风力发电机组诞生意味着什么?

低风速风力发电机组诞生意味着什么?

  十三五末期,中国承诺节能减排目标即在2020年可再生能源节能减排的目标已定,彰显大国责任。风力发电作为可再生能源主力的作用也已凸显,以“新疆、甘肃”为代表的“三北”地区风力发电发展受限,资源开发技术的提升和精细化发展,以及“长跑”理念的风电战,已经转入“低风速”区域,即:转入中东部和长江以南区域。“低风速”已成为风电十三五发展的关键词。适用于类似中东部区域项目的低风速下风资源的风机,被称为低风速风力发电机组,那么……

  低风速风力发电机组诞生意味着什么

  让我们先看一个数据

  地 点:湖北桃花山

  风 速:年平均风速5米/秒

  小时数:年等效满负荷利用小时数超过2000小时。

  机 型:GW115/2000Kw-HH85(轮毂高度)。

  湖北石首桃花山低风速风电场

  年平均风速在5.0米/秒的低风速项目,采用低风速风机解决方案后,项目年等效满发小时数超过2000小时。湖北石首桃花山风电场就是典型的低风速风电场。不少业内、行业专家和政府能源部门也到现场进行考察和踏勘。

  据气象局最新评估结果,中东部和南部地区风速在5.0米/秒以上达到经济开发价值的风资源技术可开发量接近9亿千瓦。而截止到2015年底,全国风电累计装机1.45亿千瓦,其中“三北”地区占71.7%,共1.04亿千瓦。从这些数据来说,低风速风机的诞生将重新掀起一股风电发展的新时代,中东部和南方区域风电未来发展“可为”,低风速风机未来“可为”。

  大势所趋:十三五风电发展将“百万雄狮过大江”

  中国可再生能源学会风能专业委员会秘书长秦海岩,在中国能源报微信公众号发表署名文章:《秦海岩:“十三五”风电发展规划,应着重推进“中东部”开发》。文章观点认为,“要实现我国风电产业在“十三五”期间的可持续发展,就要保证2000万千瓦以上的年度增长规模,从而避免因市场大幅萎缩,致使一个具有良好发展前景的战略性新兴产业半路夭折;要保证到2020年实现2.5亿千瓦的累计装机,才能兑现我国应对气候变化减排的承诺目标。这些就是要求我们必须调整发展布局,加大中东部地区开发力度”。文章中所说的“加大中东部地区开发力度”,就是要加大类似“湖北桃花山项目”的开发,更是要加大所有可技术开发的低风速区域项目开发。

  众所周知,低风速项目开发,最重要的选择之幸运28平台一就是选用适应低风速资源的低风速风机。低风速风机,是能够将较低风功率密度的风能持续不断转换成合格品质电能的设备,在风电场中起着非常重要的作用。打个比方来说,“低风速风机”对于风电场,就好像心脏对于人类一样,不断将“电能血液”输送到电网各个需求端。中东部区域风资源项目空间广阔,不断“敦促”和“刺激”各风电主机设备商推出不同系列低风速风机。对低风速资源和机型的系列研究和应用,金风科技一直走在国内外的前沿,不断推出具备竞争力的低风速解决方案机型。正如金风科技董事长武钢先生所说,“低风速机组技术是我们一直致力研究的方向之一。”

  精细提升:低风速风机技术日臻成熟

  低风速风资源项目的建设是一个复杂系统工程。单从机组来说,大叶轮、高塔架和“叶轮额定风况下的最优跟踪”等策略,会让低风速风机“更有价值”。

  风能等可再生能源具有分布广、密度低的特性,极为适合就近开发,就近上网使用。中东部的气候(沿海腐蚀、高温、 高湿、 寒冷、 高海拔)、风资源(风速低,湍流大,瞬时风速变化)、局部地形(山地复杂地形、潮湿区域)以及经济社会发展(不限电、好消纳)等特点,不同于“三北”区域特点,这就要求低风速风机在设计环节上要精细化考虑,能够最大化、最经济利用低风速资源。

  风机设计理念来自于贝茨理论和能量公式。我们就以能量公式为主线,通俗地解释低风速风机,如何在“低风速”下让项目发电更多,让开发商有更多收益,创造更多的社会效益。

  能量公式:

  P是发电功率,单位W;

  ρ是空气密度,单位kg/m3;

  V是来流风速,单位m/s;

  R是风轮半径,单位m;

  Cp是风轮功率系数;

  η是机组效率,包含机械效率、电气效率与自耗电效率。

  这里的ρ是空气密度,一般是不幸运28玩法能改变的。因而,通俗点说,低风速风机就是要让机型的“R”,轮毂高度处的“V”,机型的“Cp”,以及机型的传动“η”,都能综合取值达到尽可能的大。当然是在保证机组的设计安全、运行安全和运行维护安全的基础上。

  风机的“R”要“足够大”,即采用较长的风机叶片,增加风机吸入风的能量

  增大风机叶轮直径,就是增加扫风面积,我们这里引入“单位千瓦的扫描风面积”的概念,单位千瓦扫风面积衡量机组吸入风能的水平。例如,直径是115米,单机容量是2000kw,那么该风机的单位千瓦扫方面面积就是5.190m2/Kw。如果某机型的单位千瓦扫风面积比这个小,说明吸入风能的能力比115-2000的机型差。当然,叶片直径越大,机组的载荷和疲劳会受到较大影响,尤其是轴承、塔筒等承载力也会随之变化,低风速风机必须很好的在设计上解决这些问题。

  轮毂高度处的“V”要足够大

  “V”是风机轮毂高度处的风速。大家知道,根据风的形成机理,中东部南方区域的风速比较小,远低于“三北”区域的风速。部分地方的风速会随着垂直高度增加而增加较大,采用高的塔架来获取较高的风速已经成为必然选择。所以说,低风速风机配比的塔筒高度一般较高。目前,欧洲风机的塔架高度已经大于140米,主流技术分别为钢塔架、混凝土和钢的混合塔架和柔性塔架等三种。据统计,欧洲市场的装配高轮毂塔架的机组已经超过15,000台套。

  目前,国内风机的轮毂高度一般主流在85米以上,且120米以下。其中,90米到120米期间,主要是混合塔架(下段是混凝土,上部是钢塔),柔性塔架技术主要用在120米以上。混合塔架的混凝土工艺分为预制工艺(用模具预制好之后拉到现场进行组装,)和现浇工艺(在项目现场进行水泥浇灌)。国内后期,将采用多种混凝土高度和多种钢塔筒高度,进行多种排列组合搭配的混合塔架,以及120米的柔性塔架的技术方案。高塔架的技术方案的成熟需要至少一年的安全迭代计算,才能确保机组的安全。如此才能最大化利用额定低风速下的风能,这就要求低风速风机不断优化控制策略。具有较大装机量的设备厂家在此会有更大优势。

  机型的“Cp”持续最大,具有高的吸风效率

  持续“额定功率下叶片的最优跟踪”,保证叶轮吸风效率持续最高,是低风速风机另一技术热点。用通俗的话来说,让风机在较长的风速段内保持最长且最高的发电时间。目前,直驱永磁全功率变流技术优势非常明显。

  美国著名咨询机构FTI发布《全球风电市场2015年分析报告》,发布了全球TOP10机型,其中对“吸风效率”作了说明。报告说,“它在设计上实现了新的技术突破,采用了全新的设计概念“额定功率下最佳叶轮跟踪”,显著提升了吸风效率”。这里说的机型为GW115/2000kw机型。之所以会如此,一是直驱机组全功率变流的特征, 另一个是 GW115/2000 机组叶片技术的创新,这也是低风速风机必须采用技术之一。

  简单地说,就是国内的机组产品只能从 4~5 米 / 秒的风速向上最优跟踪,而 GW115/2000Kw的最优跟踪风速往前可以延伸到 2.5 米 / 秒的风速区域, 覆盖了其他机组在切入风速 2.5 米 / 秒到4 米 / 秒之间无法最优跟踪的区域; 同时, GW115/2000 到 9 米 / 秒 风 速 就达到额定满发状态, 不需要最优跟踪了, 也覆盖了其他一些额定功率 10米/ 秒的机组 在 9 米 / 秒到 10 米 / 秒之间无法最优跟踪的区域。

  选择机组的技术路线使得“η”尽可能大

  机组效率,是指风能吸收后,通过机械或电气的损耗后,风能转换成电能的效率。目前,市场的“全功率”、“永磁”和“直驱”的两两组合技术的“机型”的机械等效率,会大于传统的双馈感应型风力发电机组。无齿轮箱的机组的机械效率传递会高出3%~5%以上。低风速下,两者表现更为明显,这已经是行业共识。

  此外,由于低风速区域的环境复杂性,使得低风速机组叶片的结冰处理工艺设计和控制策略优化、瞬时风速变化导致机组安全以及控制策略优化等,成为低风速机型必须解决的问题。不同厂家也采用不同方式和思路来解决这些问题并达到最优。总结来说就是“高”、“大”、“直”。

  说了这么多,让我们看看市场上的低风速风机的发展。

  众所周知,1998年成立的金风科技可谓是中国风电发展的缩影,对于低风速和低风速风机的研究始于2008年,一直走在理论研究,风机制造技术的前列,从GW1500和GW2500,再到GW2000。

  GW93/1500 机型使年平均风速在 5.5 米 / 秒的风电场具备开发价值, GW121/2500 机型使年平均风速 6 米 / 秒以上的风电场可以获得较好收益, 尤其是一些风速较好、 机位点相对较少的风电场。目前推出的 GW115/2000 机型,则再一次将风能资源的捕捉区域下探到了风速 5.2 米/ 秒的范围,这样可以让南方市场增加几千万千瓦的可开发容量, 大大提升国内南方地区的可再生能源的利用。同时, GW115/2000 这款机型适用于 6.5 米 / 秒以下风区, 与金风原有的 GW93/1500、 GW121/2500 机型形成了针对低风速区的产品系列,丰富了国内客户在低风速区的产品选择。可根据风资源区域特点以及投资收益的要求满足客户的个性化需求, 通过“混合单机容量、混合轮毂高度、混合叶片直径”等排列组合方式,可“精准”地确保可开发区域项目的经济性保障。GW115/2000 机型的轮毂高度也非常丰富,分别有80米、85米、100米和120米。正如文章开头提及的湖北石首桃花山项目就使用的GW115/2000机型。

  低风速风机在未来必然“拳脚大开”。不断迭代演进的低风速风机,投入到中东部区域,意味中国风电发展迎来一个暂新的“低风速技术”时代。中东部和南方区域风电未来发展“可为”,低风速风机未来“可为”。从另外维度来说,只要国家制定支持政策,按照设计节奏来解决弃风限电等问题,通过这些低风速风机的来开发对应的可开发容量,我国的2020-2050国家战略以及对国际的碳排放承诺是可以兑现。

  按照每年2000万的建设容量计算,到十三五末期,低风速区域将会为社会效益贡献的增加值,不少于为社会节约标煤7,256万吨,减少二氧化碳排放约20,941万吨,减少二氧化硫排放12.08万吨,减少氮氧化物16.37万吨,社会效益可观。

 
技术机组风速机型区域

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