低風速風力發(fā)電機組誕生意味著什么……

　　十三五末期，中國承諾節(jié)能減排目標即在2020年可再生能源節(jié)能減排的目標已定，彰顯大國責任。風力發(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)風力發(fā)電發(fā)展受限，資源開發(fā)技術的提升和精細化發(fā)展，以及“長跑”理念的風電戰(zhàn)，已經轉入“低風速”區(qū)域，即：轉入中東部和長江以南區(qū)域。“低風速”已成為風電十三五發(fā)展的關鍵詞。適用于類似中東部區(qū)域項目的低風速下風資源的風機，被稱為低風速風力發(fā)電機組，那么……
　　
　　低風速風力發(fā)電機組誕生意味著什么
　　
　　讓我們先看一個數(shù)據(jù)
　　
　　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)。 　　 　　
　　年平均風速在5.0米/秒的低風速項目，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。湖北石首桃花山風電場就是典型的低風速風電場。不少業(yè)內、行業(yè)專家和政府能源部門也到現(xiàn)場進行考察和踏勘。
　　
　　據(jù)氣象局最新評估結果，中東部和南部地區(qū)風速在5.0米/秒以上達到經濟開發(fā)價值的風資源技術可開發(fā)量接近9億千瓦。而截止到2015年底，全國風電累計裝機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)來說，低風速風機的誕生將重新掀起一股風電發(fā)展的新時代，中東部和南方區(qū)域風電未來發(fā)展“可為”，低風速風機未來“可為”。
　　
　　大勢所趨：十三五風電發(fā)展將“百萬雄獅過大江”
　　
　　中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會秘書長秦海巖，在中國能源報微信公眾號發(fā)表署名文章：《秦海巖：“十三五”風電發(fā)展規(guī)劃，應著重推進“中東部”開發(fā)》。文章觀點認為，“要實現(xiàn)我國風電產業(yè)在“十三五”期間的可持續(xù)發(fā)展，就要保證2000萬千瓦以上的年度增長規(guī)模，從而避免因市場大幅萎縮，致使一個具有良好發(fā)展前景的戰(zhàn)略性新興產業(yè)半路夭折；要保證到2020年實現(xiàn)2.5億千瓦的累計裝機，才能兌現(xiàn)我國應對氣候變化減排的承諾目標。這些就是要求我們必須調整發(fā)展布局，加大中東部地區(qū)開發(fā)力度”。文章中所說的“加大中東部地區(qū)開發(fā)力度”，就是要加大類似“湖北桃花山項目”的開發(fā)，更是要加大所有可技術開發(fā)的低風速區(qū)域項目開發(fā)。
　　
　　眾所周知，低風速項目開發(fā)，最重要的選擇之一就是選用適應低風速資源的低風速風機。低風速風機，是能夠將較低風功率密度的風能持續(xù)不斷轉換成合格品質電能的設備，在風電場中起著非常重要的作用。打個比方來說，“低風速風機”對于風電場，就好像心臟對于人類一樣，不斷將“電能血液”輸送到電網各個需求端。中東部區(qū)域風資源項目空間廣闊，不斷“敦促”和“刺激”各風電主機設備商推出不同系列低風速風機。對低風速資源和機型的系列研究和應用，金風科技一直走在國內外的前沿，不斷推出具備競爭力的低風速解決方案機型。正如金風科技董事長武鋼先生所說，“低風速機組技術是我們一直致力研究的方向之一。” 　　 　　
　　低風速風資源項目的建設是一個復雜系統(tǒng)工程。單從機組來說，大葉輪、高塔架和“葉輪額定風況下的最優(yōu)跟蹤”等策略，會讓低風速風機“更有價值”。
　　
　　風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)，就近上網使用。中東部的氣候（沿海腐蝕、高溫、 高濕、 寒冷、 高海拔）、風資源（風速低，湍流大，瞬時風速變化）、局部地形（山地復雜地形、潮濕區(qū)域）以及經濟社會發(fā)展（不限電、好消納）等特點，不同于“三北”區(qū)域特點，這就要求低風速風機在設計環(huán)節(jié)上要精細化考慮，能夠最大化、最經濟利用低風速資源。
　　
　　風機設計理念來自于貝茨理論和能量公式。我們就以能量公式為主線，通俗地解釋低風速風機，如何在“低風速”下讓項目發(fā)電更多，讓開發(fā)商有更多收益，創(chuàng)造更多的社會效益。
　　
　　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，一般是不能改變的。因而，通俗點說，低風速風機就是要讓機型的“R”，輪轂高度處的“V”，機型的“Cp”，以及機型的傳動“η”，都能綜合取值達到盡可能的大。當然是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。
　　
　　1 風機的“R”要“足夠大”，即采用較長的風機葉片，增加風機吸入風的能量
　　
　　增大風機葉輪直徑，就是增加掃風面積，我們這里引入“單位千瓦的掃描風面積”的概念，單位千瓦掃風面積衡量機組吸入風能的水平。例如，直徑是115米，單機容量是2000kw，那么該風機的單位千瓦掃方面面積就是5.190m2/Kw。如果某機型的單位千瓦掃風面積比這個小，說明吸入風能的能力比115-2000的機型差。當然，葉片直徑越大，機組的載荷和疲勞會受到較大影響，尤其是軸承、塔筒等承載力也會隨之變化，低風速風機必須很好的在設計上解決這些問題。
　　
　　2 輪轂高度處的“V”要足夠大
　　
　　“V”是風機輪轂高度處的風速。大家知道，根據(jù)風的形成機理，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較大，采用高的塔架來獲取較高的風速已經成為必然選擇。所以說，低風速風機配比的塔筒高度一般較高。目前，歐洲風機的塔架高度已經大于140米，主流技術分別為鋼塔架、混凝土和鋼的混合塔架和柔性塔架等三種。據(jù)統(tǒng)計，歐洲市場的裝配高輪轂塔架的機組已經超過15,000臺套。
　　
　　目前，國內風機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），柔性塔架技術主要用在120米以上。混合塔架的混凝土工藝分為預制工藝（用模具預制好之后拉到現(xiàn)場進行組裝，）和現(xiàn)澆工藝（在項目現(xiàn)場進行水泥澆灌）。國內后期，將采用多種混凝土高度和多種鋼塔筒高度，進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方案。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。如此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。具有較大裝機量的設備廠家在此會有更大優(yōu)勢。
　　
　　3 機型的“Cp”持續(xù)最大，具有高的吸風效率
　　
　　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保持最長且最高的發(fā)電時間。目前，直驅永磁全功率變流技術優(yōu)勢非常明顯。
　　
　　美國著名咨詢機構FTI發(fā)布《全球風電市場2015年分析報告》，發(fā)布了全球TOP10機型，其中對“吸風效率”作了說明。報告說,“它在設計上實現(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”。這里說的機型為GW115/2000kw機型。之所以會如此，一是直驅機組全功率變流的特征， 另一個是 GW115/2000 機組葉片技術的創(chuàng)新，這也是低風速風機必須采用技術之一。
　　
　　簡單地說，就是國內的機組產品只能從 4～5 米 / 秒的風速向上最優(yōu)跟蹤，而 GW115/2000Kw的最優(yōu)跟蹤風速往前可以延伸到 2.5 米 / 秒的風速區(qū)域， 覆蓋了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)跟蹤了， 也覆蓋了其他一些額定功率 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。
　　
　　4 選擇機組的技術路線使得“η”盡可能大
　　
　　機組效率，是指風能吸收后，通過機械或電氣的損耗后，風能轉換成電能的效率。目前，市場的“全功率”、“永磁”和“直驅”的兩兩組合技術的“機型”的機械等效率，會大于傳統(tǒng)的雙饋感應型風力發(fā)電機組。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，這已經是行業(yè)共識。
　　
　　此外，由于低風速區(qū)域的環(huán)境復雜性，使得低風速機組葉片的結冰處理工藝設計和控制策略優(yōu)化、瞬時風速變化導致機組安全以及控制策略優(yōu)化等，成為低風速機型必須解決的問題。不同廠家也采用不同方式和思路來解決這些問題并達到最優(yōu)。總結來說就是“高”、“大”、“直”。 　　
　　說了這么多，讓我們看看市場上的低風速風機的發(fā)展。
　　
　　眾所周知，1998年成立的金風科技可謂是中國風電發(fā)展的縮影，對于低風速和低風速風機的研究始于2008年，一直走在理論研究，風機制造技術的前列，從GW1500和GW2500，再到GW2000。
　　
　　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， 尤其是一些風速較好、 機位點相對較少的風電場。目前推出的 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，這樣可以讓南方市場增加幾千萬千瓦的可開發(fā)容量， 大大提升國內南方地區(qū)的可再生能源的利用。同時， GW115/2000 這款機型適用于 6.5 米 / 秒以下風區(qū)， 與金風原有的 GW93/1500、 GW121/2500 機型形成了針對低風速區(qū)的產品系列，豐富了國內客戶在低風速區(qū)的產品選擇。可根據(jù)風資源區(qū)域特點以及投資收益的要求滿足客戶的個性化需求， 通過“混合單機容量、混合輪轂高度、混合葉片直徑”等排列組合方式，可“精準”地確保可開發(fā)區(qū)域項目的經濟性保障。GW115/2000 機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目就使用的GW115/2000機型。 　　
　　低風速風機在未來必然“拳腳大開”。不斷迭代演進的低風速風機，投入到中東部區(qū)域，意味中國風電發(fā)展迎來一個暫新的“低風速技術”時代。中東部和南方區(qū)域風電未來發(fā)展“可為”，低風速風機未來“可為”。從另外維度來說，只要國家制定支持政策，按照設計節(jié)奏來解決棄風限電等問題，通過這些低風速風機的來開發(fā)對應的可開發(fā)容量，我國的2020-2050國家戰(zhàn)略以及對國際的碳排放承諾是可以兌現(xiàn)。
　　
　　按照每年2000萬的建設容量計算，到十三五末期，低風速區(qū)域將會為社會效益貢獻的增加值，不少于為社會節(jié)約標煤7，256萬噸，減少二氧化碳排放約20，941萬噸，減少二氧化硫排放12.08萬噸，減少氮氧化物16.37萬噸，社會效益可觀。