目前,中國風電行業整機生產廠家眾多,競爭激烈。生產廠家為了迎合業主、滿足低風速地區的風電開發需求,不斷推出長葉片機型,有的生產廠家為了增加銷量和滿足風電企業的機組利用小時數需求,還推出了加長葉片的老機型改造。但如不顧及風電場風況條件、機組及部件壽命、故障率和遠期維護成本等因素,而片面地增加葉片長度,必將事與愿違,影響企業的長期收益,甚至危及行業的健康持續發展。
我國風電機組的風輪直徑不斷增大
根據中國風能協會統計數據, 2008年以前,風輪直徑在 70m以下的 1.5MW型機組的裝機量一直處于比較穩定的狀態。在 2014年、 2015年安裝和投運的機組中,風輪直徑在 93m及以上的 1.5MW機組已經占絕大多數;風輪直徑 82m以下的 2MW風電機組在 2009年以前的新增裝機容量一直保持高速增長 ,而在 2013年、 2014年、 2015年風輪直徑為 100m、105m、108m、110m、114m、115m、116m、 118m、120m、121m的 2MW機組陸續問世,并相繼成為主流機型。
1.5MW和 2MW機組風輪直徑的不斷增加以及風電市場對其的反應,主要源自于我國對低風速風區開發的重視程度有所增加。大風輪直徑的機組往往被廠商定義為“低風速型”、“弱風速型”風電機組。我國風電招投標體制,由于一般以千瓦功率為單位進行價格的對比,在短期內使葉片長度更長、風輪直徑更大的產品受到市場青睞。而一些國際一流廠家則是在葉輪直徑不變的情況下,不惜降低單位千瓦的掃風面積,千方百計地提高機組容量。例如: Vestas的 V164從最初的 7MW提高到了 8MW;Siemens直驅 SWT154則從最初的 6MW提高到了 7MW,在相似的運營成本條件下, SWT-7.0-154機組發電量比其前代產品 SWT-6.0-154提高了 10%。
從我國 1.5MW和 2MW機組風輪直徑不斷增加趨勢可以很明顯地看出,葉輪直徑的增加,與機組的生產年份、我國的國情及消費者的偏好有著直接的關系;從趨勢中解讀出來與機組所處風況條件的關系來看,我國在 2008年以后,所建的風電場絕大多數都應屬于“弱風速型”風電場,事實果真是這樣的嗎?是否有在本屬于Ⅰ、Ⅱ類風區的機位或風電場安裝“弱風速型”機組的問題?因此,葉輪直徑增加可能帶來的隱患和弊端值得引起同行們的重視與思考。
風電機組的設計
一、風電機組的設計流程與設計周期
風電機組的設計流程大致需經過:概念設計、初步設計、載荷計算、部件分析、詳細設計、廠內試驗及現場測試。實際整個設計階段是一個不斷的循環過程,通常需要三到五次循環。在詳細設計完成后,需要將機組更為準確的參數用于載荷計算和控制器的設計,在新的載荷出來后又需要對初步設計的部件進行更新,也許原來設計不能滿足要求,就需要對初步設計進行調整,再進行載荷計算和控制器的設計,以進入下一流程。因此,在機組進行批量生產之前,往往需要較長時間的樣機試驗,然后才批量投入市場。
對風電機組來說,一種新的機型,在短期內投運良好,還不能證明其開發成功、性能優異,可以大批量地投入生產。由于自然條件下風的變化性,風電機組的受力情況具有很強的交變性,實際運行工況極其復雜、多變,僅依靠軟件模擬和廠內試驗是難以準確、全面地對機組性能進行準確評估。再者,在廠內試驗不能安裝葉片,許多因變槳和葉片而產生的問題,廠內試驗是根本沒辦法發現的。因此,需要通過在風電場的實際樣機試運行,在實際的風電場運行過程中,對其運行狀況進行仔細分析,及時發現問題,不斷地改進和完善,經過各種風況和充分的風電場驗證,等待產品成熟后,再投入批量生產。也只有這樣,才能向市場推出合格、經得起長期風電場檢驗的機型。依據國外風電機組的研發經驗,從概念設計到投入批量生產所需要的時間大約為 7年。
然而,從我國風電行業 1.5MW和 2MW的“低風速型”、“弱風速型”機組的研發到批量生產的時間來看,其設計周期普遍偏短,有的機型在沒有經過樣機投運的情況下,就投入了大批量生產。這樣,機組的重要部件可能經不起長期風電場實踐的檢驗,由此帶來的風險很大。
二、風電機組與其他發電設備在研發與運行上的區別
風電機組容易受到疲勞載荷的嚴重影響。在 600kW機組中,風輪在 20年的壽命期內會旋轉 2×108次。每旋轉一周,在低速軸上的受力與作用在葉片上的重力均會出現周期性變化。同時,在風輪旋轉平面上,會因風剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流等效應產生循環變化的載荷。因此,許多風電機組部件的設計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷。