低风速风力发电机组造价与度电成本分析

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清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
2011, 51( 3)
表 1 风电机组各部分成本估计
($ )
项目
经验公式
风电机组造价
叶片
0. 401 9R3 - 955. 24+ 2. 744 5R2.5025 1- 0. 28
轮毂
4. 25( 0. 954M + 5 680. 3)
变桨距机构 2. 28 0. 210 6( 2R) 2. 657 8
CHAI Jianyun, ZHANG Shuyang
( Department of Electrical E ngineering, Tsinghua University, Bei ji ng 100084, Chi na)
Abstract: Th e cost of energy ( CO E) of a w ind t urbine generat ion syst em ( W TG S) can be reduced by proper des ign of t he rot or bl ades t o improve t he economics f or l ow w ind s peeds. T his s tu dy analyzes t h ree sy st ems w it h t he same pow er rat ing an d diff erent blade l engt h s. T he an nual en ergy pr odu ct ion of each s yst em was cal culat ed f or diff erent w ind condit ions, w ith t he t ot al sys tem cost est imat ed u sing empirical f ormulas. T he result s s how t hat t he sy st em CO E d ecreases wi th t he average win d speed and a syst em w it h l ong er b lad es has n o economic superiorit y in a region w it h st rong w inds. H ow ever, t h e ann ual syst em en ergy producti on is great ly im proved b y in creasing t he blade l engt h f or low w ind speed condit ions. Th e t ot al sys t em cost w ill increas e, bu t t he energy cos t w ill st ill b e reduced. T he energy cos t can also be redu ced by reducin g t h e opt im al t ip speed rat io or by increas ing t he b lad e pow er coef ficient . The st udy s how s t h e feas ibilit y of im proving t h e economic benefit of a w ind tu rbine generat ion syst em b y proper sel ect ion of t he blade
区间 III: 恒功率运行 区。当风速 高于额定风 速时, 利用桨距角的变化使输出功率保持为额定值,
直至风速达到切出风速 v cut out 为止。 功率与风速的对应关系如式( 6) 所示。
1 2
wenku.baidu.com
SCPmax v3
,
v
[ v cut in , vcp ] , v tip
v tip max ;
P=
1 2
lengt h, opt imal des ign of t h e airf oil or t he appli cat ion of new mat erials.
Key words: w ind pow er generation; low w ind speed condit ion; bl ade lengt h design ; annual energy pr odu ct ion ( A EP) ; cost of en ergy ( CO E)
c2 - c3 - c4
e-
c5 i
+
c6
,
i
1=
i
+
1 0. 08
-
0.
3
03 +
5 1
.
( 5)
其中: 叶尖速比 为风轮的叶片尖端速度 v tip 与风 速 v 之比, c1 c6 为表征风力机特性的参数。
= 0 时, 风能利用系数 CP 随叶尖速比 的变
化曲线如图 1 所示。可见, 只有机组运行于最佳叶
尖速比 opt 时, 才能得到最大的风能利用系数 CPmax 。 对于三叶片风力机, 最佳叶尖速比一般为 7~ 9。理
论上, 风 能 利 用系 数 的 最 大 值 为 16/ 27 0. 593
( B zier 极限) , 实际上一般可以达到 0. 45~ 0. 5。
在传动机构、发电机、变频器中均 存在功率 损
ISSN 1000 0054 清华大学学报 ( 自然科学版) 2011 年 第 51 卷 第 3 期 CN 11 2223/ N J T sing hua U n iv ( Sci & Tech) , 2011, V o l. 51, N o. 3
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低风速风力发电机组造价与度电成本分析
关键词: 风力 发 电; 低 风速 条 件; 叶 片长 度 设计; 年发 电 量; 度电成本
中图分类号: T M 614 文章编号: 1000 0054( 2011) 03 0356 05
文献标志码: A
Total cost and energy cost of wind turbine generation systems for low wind speeds
低速轴
0. 1( 2R) 2. 887
主轴承
35. 2( ( 2R 8/ 600- 0. 033) 0. 009 2( 2R) 2.5 )
齿轮箱
16. 45P 1. 249
发电机
65 P
变频器
79 P
偏航机构 2 0. 033 9( 2R) 2. 964
E mail: chaijy@ mail. t sin ghua. edu. cn
柴建云, 等: 低风速风力发电机组造价与度电成本分析
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P AE =
v cut o ut
p ( v) P( v) dv 8 760
v cut in
v cut out
p ( v) P ( v) v 8 760.
( 1)
处的风速。
1. 1. 3 功率
风力机从风中获得的机械功率为
Pm ( v) =
1 2
SC Pv 3 =
1 2
R2CPv 3.
( 4)
其中: 为空气密度, S 为风轮扫掠面积, R 为风轮
半径, CP 为风能利用系数, v 为风速。
风能利用系数 CP 为叶尖速比 与桨叶节距角 的函数,
CP( ,
)=
c1
柴建云, 张舒扬
( 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084)
摘 要: 为了提高低风速条件下风 力发电机 组的经济效 益, 提出了一种通过合理设计叶片来降低机组度电成本的方 法。 以相同功率等级、不同叶片长度的 3 种风力发电机组 作为研 究对象, 在不同风力条 件下分 别计算 各机组 的年发 电量, 利 用经验公式对各 机组的 总成 本进行 估计。结 果表 明: 机组 的度电成本 随着平均 风速的升高 而降低。在 平均风速 较高 的地区, 长叶片 机组在 度电 成本 上的 优势 并不 明 显。而 在 平均风速较 低的地区 , 机组 的年 发电 量随 着叶 片的 加长 而 明显增加; 尽管 总成 本有 所 升高, 但 度 电成 本 依然 得以 降 低。通过适 当减小叶 片的 最佳 叶尖 速比、增 大 风能 利用 系 数也可以降 低度电成 本。该文还 论述了通过 合理选择 叶片 长度、优化翼型 以及应 用新 材料 来提 高机 组经 济效 益的 可 行性。
分布,
p( v) =
k c
v c
k- 1
exp -
v c
k
.
( 2)
其中, k 和 c 分别是形状参数和尺寸参数。一般取
k= 2, c 由该风速分布的统计平均值决定。
风速随高度的变化可以用幂定律拟合, 风切变
幂律公式为
v2 =
v1
h2 h1
a
.
( 3)
其中: a 为风切变指数; v 1 , v 2 分别为高度 h1 , h2
v cut i n
其中: v cut in 为切入风速, v cut out 为切出风速, P( v ) 是
机组在风速 v 时的输出功率, p ( v) 是风速 v 出现的
概率。在下文中, 风速间隔 v 取为 0. 01 m / s。
1. 1. 2 风速分布
通常可以用 Weibull 概率 密度函 数描 述风 速
我国有相当大面积的低风速地区, 为了充分利 用这些地区的风力资源, 有必要考察风电机组在低 风速条件下的各项指标, 以开发适用于低风速地区 的机型。本文分析了影响风电机组总成本和发电量 的主要因素, 定量说明了风轮的最佳叶片长度与风 电场平均风速的对应关系。此外, 还讨论了叶片特 性对机组度电成本的影响。研究表明: 适当加长风 轮叶片, 可以大幅度增加风电机组的年发电量, 尽管 机组的单位功率设备造价有所上升, 但在一定的低 风速条件下, 其单位能量成本却可能下降。
近年来, 我国风力发电事业迅猛发展, 每年新增 装机容量连年 翻番, 2009 年的新增装 机容量达到 了 1 400 万 kW, 已跃居世界第一。然而客观地讲, 尽管风力发电技术已经取得了长足的发展, 但目前 风电成本依然远高 于火电和水 电等常规 能源[ 1 2] 。 因此, 应在保证发电量的同时, 尽可能控制机组的单 位能量成本, 以获得最大的经济效益和社会效益。
耗; 此外, 叶片表面污染以及风电场其他机组的干
扰也会对输出 功率有 所影 响[ 5] 。机 组的效 率用
表示。
图 1 风能利用系数 CP 随叶尖速比 的变化曲线
1. 1. 4 运行区间
目前, 变速风力发电机组已逐渐成为大型并网 风力发电机组的主流机型。变速机组的运行可以分
为 3 个区间:
区间 I: 恒 CP 运 行 区。 当 风 速在 切 入 风 速 v cut in 附近变化时, 控制风轮转速与之成比例变化, 以 保持最佳叶尖速比, 此时风能利用系数最大;
SCPv 3
,
v ( v cp , vrated ), vtip = v tip max;
P , rated
v [ v rated , v cut out ] .
( 6)
1. 2 风电机组的总成本 风电机组的总成本由项目初始投资与机组的年
运行维护费用决定[ 6] 。项目初始投资由风电机组造 价与风电场投资两部分组成, 以一定比例逐年支付; 年运行维护费用与机组的功率等级以及年发电量有 关, 在总成本中所占的比重较小。可以用文[ 7] 中的 经验公式对总成本进行估计, 采用三级齿轮箱的双 馈变速风力发电机组各部分成本的经验公式如表 1
区间 II: 恒转速运行区。受机 械强度所限, 风
轮的叶尖速 度存在一 个最大值 vtip max , 一 般为 80 m/ s 左右。当风速由切入风速逐渐升高时, 风轮转 速随之升高。往往在功率达到额定功率以前, 叶尖
速度就已经达到其上限值, 记此时的风速为 vcp 。机 组在接近额定风速 vr ated 时只能以恒转速运行, 风能 利用系数也将有所减小。
1 风力发电机组的评价指标
1. 1 风电机组的发电量
1. 1. 1 年发电量 风电机组的年发电量不仅取决于机组自身的功
率曲线, 而且与 机组所在地区 的风力条件有 关[ 3] 。 计算公式为[ 4]
收稿日期: 2010 04 12 基金项目: 国家 十一五 科技支撑计划 ( 2006BA A 01A 19) 作者简介: 柴建云( 1961 ) , 男( 汉) , 北京, 教授。