那么，究竟什么是低風速機組?我們?yōu)槭裁幢仨毎l(fā)展低風速風電?怎樣設計和開發(fā)低風速機組?新疆金風科技股份有限公司(下稱“金風科技”)又在“低風速風電開發(fā)”上實現(xiàn)了怎樣的突破?本期，小編帶大家一探究竟。

 

　　什么是低風速機組?

 

　　低風速機組，顧名思義就是應用于低風速區(qū)域的風機機組，能夠?qū)⑤^低風功率密度的風能持續(xù)不斷轉(zhuǎn)換成合格品質(zhì)電能的設備，在風電場中起著非常重要的作用。其特征可以用“高、大、直”三字概括，詳細來說，就是低風速機組擁有更高的塔筒高度、更大的葉輪直徑、或者更多的單位千瓦掃風面積以及更高的整機效率。

　　代表性的案例:金風科技在泰國安裝的120米柔性塔架、西門子在德國運行的130米葉輪直徑風機。

 

　　為什么要發(fā)展低風速風電?

 

　　隨著我國能源結(jié)構(gòu)及供給側(cè)改革進程加快，資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的加快建設成為當務之急。在2016年頒布的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中，我國就明確了到2020年可再生能源節(jié)能減排的目標:萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，能源消費總量控制在50億噸標準煤以內(nèi)。全國化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在2001萬噸、207萬噸、1580萬噸、1574萬噸以內(nèi)，比2015年分別下降10%、10%、15%和15%。全國揮發(fā)性有機物排放總量比2015年下降10%以上。

 

　　而要實現(xiàn)這一目標，除了嚴格控制我國煤碳、化石能源的使用外，大力發(fā)展太陽能、風能產(chǎn)業(yè)是必然的選擇。由此可見，風力發(fā)電作為可再生能源主力的作用正在日益凸顯。

　　但是，風電卻開始面臨傳統(tǒng)風資源優(yōu)勢區(qū)域開發(fā)飽和的相關問題。 “三北”地區(qū)風電發(fā)展受限，使得資源開發(fā)技術的提升和精細化發(fā)展開始轉(zhuǎn)入“低風速”區(qū)域，也就是中東部和長江以南區(qū)域。這正如中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會秘書長秦海巖所言:“十三五”風電發(fā)展將“百萬雄獅過大江”。

 

　　而要在這些“低風速”區(qū)域進行風電開發(fā)，最重要的就是選用適應低風速風能資源的低風速風機。因此，對低風速資源和機型的系列研究和應用，是低風速風電發(fā)展的必由之路。

 

　　怎樣設計和開發(fā)低風速風機?

 

　　低風速風資源項目的建設是一個復雜系統(tǒng)工程。

 

　　首先，我國中東部地區(qū)的氣候(沿海腐蝕、高溫、 高濕、 寒冷、 高海拔)、風資源(風速低，湍流大，風速變化迅速)、局部地形(地形復雜)以及經(jīng)濟社會發(fā)展(不限電、易消納)等特點，有異于“三北”區(qū)域，所以這就要求低風速風機在設計上要精細化考量，能夠?qū)崿F(xiàn)低風速資源的最大化、最經(jīng)濟利用。

 

　　環(huán)境因素的充分考量后，就是風機的定制化設計。風電圈圈內(nèi)人都知道，風機設計理念來自于貝茨理論和能量公式。小編就以能量公式為主線，給大家通俗地解釋下低風速風機該如何設計，才能創(chuàng)造更多的經(jīng)濟和社會效益。

 

　　P是發(fā)電功率，單位W

 

　　ρ是空氣密度，單位kg/m3

 

　　V是來流風速，單位m/s

 

　　R是風輪半徑，單位m

 

　　Cp是風輪功率系數(shù)

 

　　η是機組效率，包含機械效率、電氣效率與自耗電效率

 

　　這里的ρ是空氣密度，一般是不會改變的。因此，通俗來說，低風速風機的設計，就是要在保證機組的設計安全、運行安全和運行維護安全的基礎上，讓機型的“R”，輪轂高度處的“V”，機型的“Cp”，以及機型的傳動“η”，綜合取值達到最大。

 

　　風機的“R”要足夠大，即采用長葉片

 

　　增大風機葉輪直徑，就是增加掃風面積，以增加風機吸入風的能量。但是，葉片直徑越大，機組的載荷和疲勞就會受到較大影響，尤其是軸承、塔筒等承載力也會隨之變化。因此，低風速風機必須在設計上解決這些問題。

 

　　輪轂高度處的“V”要足夠大，即采用高塔筒

 

　　“V”是風機輪轂高度處的風速。中東部南方區(qū)域的風速比較小，遠低于“三北”區(qū)域的風速。部分地方的風速會隨著垂直高度增加而增加，采用高的塔架來獲取較高的風速已經(jīng)成為必然選擇。所以說，低風速風機配比的塔筒高度一般較高。

 

　　高塔架的技術方案的成熟需要至少一年的安全迭代計算，才能確保機組的安全。只有這樣，才能最大化利用額定低風速下的風能，這就要求低風速風機不斷優(yōu)化控制策略。

 

　　機型的“Cp”持續(xù)最大，即具有高吸風效率

 

　　持續(xù)“額定功率下葉片的最優(yōu)跟蹤”，保證葉輪吸風效率持續(xù)最高，是低風速風機另一技術熱點。用通俗的話來說，讓風機在較長的風速段內(nèi)保持最長且最高的發(fā)電時間。目前，直驅(qū)永磁全功率變流技術優(yōu)勢非常明顯。

 

　　美國著名咨詢機構(gòu)FTI曾對“吸風效率”作了說明--GW115/2000kw機型在設計上實現(xiàn)了新的技術突破，采用了全新的設計概念“額定功率下最佳葉輪跟蹤”，顯著提升了吸風效率”。

 

　　在國內(nèi)的機組產(chǎn)品只能從4-5米/秒的風速向上最優(yōu)跟蹤時，GW115/2000Kw的最優(yōu)跟蹤風速已經(jīng)可以覆蓋其他機組在切入風速 2.5米/秒到4 米/秒之間無法最優(yōu)跟蹤的區(qū)域。同時， GW115/2000到9米/秒風速就達到額定滿發(fā)狀態(tài)，不需要最優(yōu)跟蹤，還能覆蓋其他一些額定功率10米/秒的機組在9米/秒到10米/秒之間無法最優(yōu)跟蹤的區(qū)域。

 

　　選擇機組的技術路線使得“η”盡可能大，即

 

　　機組效率，是指風能吸收后，通過機械或電氣的損耗后，風能轉(zhuǎn)換成電能的效率。目前，市場的“全功率”、“永磁”和“直驅(qū)”的兩兩組合技術“機型”的機械等效率會更高。無齒輪箱的機組的機械效率傳遞會高出3%——5%以上。低風速下，兩者表現(xiàn)更為明顯。

 

　　總結(jié)來說，就是“高”、“大”、“直”。

　　金風科技在低風速風機市場上的突破

 

　　1998年成立的金風科技，作為中國風電發(fā)展的縮影，早在2008年就開始了對低風速和低風速風機的研究。從GW1500和GW2500，再到超低風速的GW2000，金風科技一直走在低風速的理論研究和風機制造技術的前列。

 

　　GW93/1500 機型使年平均風速在 5.5 米 / 秒的風電場具備開發(fā)價值;GW121/2500 機型使年平均風速 6 米 / 秒以上的風電場可以獲得較好收益;而 GW115/2000 機型，則再一次將風能資源的捕捉區(qū)域下探到了風速 5.2 米/ 秒的范圍。

 

　　我們來看一個實例。

　　地點:湖北桃花山

 

　　風速:年平均風速5米/秒

 

　　小時數(shù):年等效滿負荷利用小時數(shù)超過2000小時

 

　　機型:GW115/2000Kw-HH85(輪轂高度)

 

　　采用了金風科技GW115/2000機組的湖北石首桃花山風電場就是典型的低風速風電場。年平均風速在5.0米/秒，采用低風速風機解決方案后，項目年等效滿發(fā)小時數(shù)超過2000小時，大大提升了該地區(qū)的可再生能源利用率。

 

　　可見，優(yōu)秀的低風速機組首先就是在技術設計上達到市場需求的標準，以創(chuàng)新科技助力風機內(nèi)在優(yōu)異性。金風科技始終將風機質(zhì)量和科研創(chuàng)新視為企業(yè)發(fā)展的重中之重。因此，我們的低風速機組設計，在大葉輪技術開發(fā)之下，還實現(xiàn)了載荷優(yōu)化、獨立變槳、塔架加阻、系統(tǒng)穩(wěn)定、葉片開發(fā)等等技術突破，同樣為提高塔筒高度，我們還開發(fā)了混凝土-鋼結(jié)構(gòu)混合式塔筒和柔性塔筒技術。

 

　　此外，優(yōu)秀的運維能力和運維管理也不可忽略。湖北石首桃花山風電場風電效益的極大提升，與金風科技客戶價值的可靠性評估和優(yōu)質(zhì)的管理體系是不可分割的。我們會從復雜多樣的可靠性指標群中尋找與客戶價值直接相關的指標，進行最大化的優(yōu)化和改進。簡單來說，就是圍繞提高發(fā)電量和降低現(xiàn)場故障修復頻次為中心持續(xù)優(yōu)化，保障業(yè)主的價值最大化。

 

　　據(jù)氣象局相關評估，我國中東部和南部地區(qū)風速在5.0米/秒以上達到經(jīng)濟開發(fā)價值的風資源技術可開發(fā)量接近9億千瓦。由此可見，低風速風機在未來必然“大有可為”。如果按照每年2000萬的建設容量計算，到“十三五”末期，低風速區(qū)域?qū)樯鐣б尕暙I的增加值，不少于為社會節(jié)約標煤7256萬噸，減少二氧化碳排放約20941萬噸，減少二氧化硫排放12.08萬噸，減少氮氧化物16.37萬噸!

 

　　未來，金風科技將秉承著“風電是一場馬拉松”的理念，不斷通過技術的創(chuàng)新、服務的轉(zhuǎn)型、管理的提升，在這場“低風速”的時代洪流中站穩(wěn)腳跟，邁開步伐，助力我國節(jié)能減排事業(yè)的有益發(fā)展，實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級。