摘　要：風(fēng)電設(shè)備選型已經(jīng)成為影響風(fēng)電項(xiàng)目投資行為的主要因素之一。通過對(duì)風(fēng)電設(shè)備選型的主要技術(shù)指標(biāo)額定風(fēng)速的理論分析、公式計(jì)算， 通過對(duì)風(fēng)電設(shè)備選型、風(fēng)電設(shè)備投資等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行不同組合的方案研究，提出了風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)簡單而有效的評(píng)價(jià)方法，揭示了風(fēng)電設(shè)備選型組合方案與風(fēng)電投資規(guī)模效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，能更好地提高風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電項(xiàng)目 設(shè)備選型 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

0　引 言

2006年， 中國的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了135萬kW， 實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年約106.7%的增長速度。截至2006年底，中國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了2599MW，低于丹麥的3136MW，排名第六位[1]。 伴隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的高速增長， 風(fēng)電設(shè)備及零部件呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的狀況，風(fēng)電設(shè)備的價(jià)格也出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。在現(xiàn)有上網(wǎng)電價(jià)的情況下，風(fēng)電設(shè)備選型已經(jīng)成為影響風(fēng)電項(xiàng)目投資行為的主要因素之一。

中國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用相對(duì)落后于歐美，風(fēng)電設(shè)備選型時(shí)應(yīng)關(guān)注的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還沒有較好的評(píng)價(jià)和分析方法。風(fēng)電設(shè)備選型技術(shù)指標(biāo)上，目前依據(jù)的主要是風(fēng)電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而選型時(shí)對(duì)風(fēng)電場風(fēng)能資源與風(fēng)電設(shè)備額定風(fēng)速的關(guān)系沒有簡單有效的分析方法;風(fēng)電設(shè)備選型主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，評(píng)價(jià)和分析風(fēng)電項(xiàng)目時(shí)比較關(guān)注上網(wǎng)電價(jià)、固定投資和設(shè)備利用率等主要指標(biāo)，而對(duì)影響風(fēng)電項(xiàng)目投資較大的指標(biāo)，如風(fēng)電設(shè)備選型的組合對(duì)固定資產(chǎn)的影響、風(fēng)電設(shè)備選型與風(fēng)電項(xiàng)目投資規(guī)模效應(yīng)之間的關(guān)系較少引起重視。通過對(duì)風(fēng)能利用效率原理分析，提出簡單確定風(fēng)電場額定風(fēng)速的計(jì)算公式，提供風(fēng)電設(shè)備選型參考;通過應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)原理及對(duì)相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)概率統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)，揭示了風(fēng)電設(shè)備選型組合方案與風(fēng)電項(xiàng)目投資規(guī)模效應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文正是通過上述分析，提出了風(fēng)電設(shè)備選型設(shè)計(jì)的一種新型有效、實(shí)用簡單的評(píng)價(jià)方法和分析途徑。

1　風(fēng)電設(shè)備選型的技術(shù)分析

中國幅員遼闊，南北風(fēng)資源差別較大，按目前引進(jìn)的歐美風(fēng)機(jī)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)制造的風(fēng)電設(shè)備，其還需要有一個(gè)對(duì)本土化風(fēng)資源適應(yīng)性研究的過程。

按照現(xiàn)行變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率捕獲原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從切入風(fēng)速(Cut-in wind speed)到額定風(fēng)速(Rated wind speed)這一過程中，通過變漿技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況下的最優(yōu)化，從實(shí)際風(fēng)速分布統(tǒng)計(jì)情況來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行得最多的時(shí)段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。風(fēng)力發(fā)電機(jī)從切入風(fēng)速到風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率時(shí)的最優(yōu)風(fēng)能捕獲曲線如圖1所示。

從圖1中可以看到，隨著風(fēng)速v的增加，通過控制葉片變漿，即改變?nèi)~片的迎風(fēng)攻角，可以保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)在各個(gè)風(fēng)速nmax時(shí)達(dá)到其出力最大化Pmax，圖1中用幾條風(fēng)速曲線表達(dá)了這一變化過程。而在實(shí)際工作中，一般將測得的逐時(shí)風(fēng)速按風(fēng)頻數(shù)來統(tǒng)計(jì)，一個(gè)典型風(fēng)場的風(fēng)速分布為一個(gè)威布爾(Weibull)分布及其瑞利(Rayleigh)分布，如下圖2所示，圖2中分別列出了陸上(Onshore)和海上(Offshore)風(fēng)速典型分布情況。

其中威布爾(weibull)分布所控制分布寬度的形狀參數(shù)K值和控制平均風(fēng)速分布的尺度參數(shù)A值是實(shí)際工作中主要關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)[2，4]。一般來說，在弄清風(fēng)電場址區(qū)的風(fēng)速分布情況后，會(huì)根據(jù)平均風(fēng)速值、湍流計(jì)算值和極大風(fēng)速推算值等，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分級(jí)[4，5]的相關(guān)規(guī)定，來確定風(fēng)力機(jī)組及主要部件的選型。從安全的角度來說，這種做法是值得肯定的，但隨著風(fēng)電設(shè)備裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來越多的專業(yè)人士對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力這一指標(biāo)給予了高度關(guān)注。而決定某臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力的指標(biāo)就是其對(duì)風(fēng)能的捕獲能力和利用效率， 所關(guān)注的這些參數(shù)與風(fēng)能資源緊密相關(guān)。圖1表明，在實(shí)況中，進(jìn)入額定風(fēng)速區(qū)后，同功率機(jī)型之間的出力差別不大，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分時(shí)間都是在額定風(fēng)速以下區(qū)間運(yùn)行，不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力差別則主要集中在額定風(fēng)速以下的區(qū)間，因此對(duì)額定風(fēng)速的確定直接關(guān)系某臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力指標(biāo)。

在一個(gè)風(fēng)電場區(qū)的風(fēng)能資源參數(shù)已定的情況下，為了達(dá)到最優(yōu)出力，風(fēng)電設(shè)備選型的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)就是確定其額定風(fēng)速VN。通過不同風(fēng)場、多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，VN取值為A和K值的乘積，即VN=A×K是一個(gè)最簡單而有效的計(jì)算公式。如圖2中的陸上風(fēng)電場風(fēng)電設(shè)備應(yīng)選取額定風(fēng)速VN為12～13m/s，而海上風(fēng)電場區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)選取額定風(fēng)速VN為15～16m/s?；趯?duì)這一點(diǎn)的理解，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在海上時(shí)可以越來越大型化，因?yàn)槠湟蟮念~定風(fēng)速相對(duì)比較高，而安裝在陸上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻不能一味求大，單機(jī)功率過大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)即使采用了很多先進(jìn)技術(shù)，如加大其低風(fēng)速的捕風(fēng)性能，但由于其額定風(fēng)速較高，因而犧牲了整機(jī)性能，將得不償失。

2　風(fēng)電設(shè)備選型的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

實(shí)際工作中，對(duì)風(fēng)電設(shè)備選型時(shí)， 既要做到風(fēng)電設(shè)備選型滿足風(fēng)電場的技術(shù)要求，也要考慮設(shè)備價(jià)格波動(dòng)對(duì)風(fēng)電投資所產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)階段，有些風(fēng)電項(xiàng)目，不管擬建場址區(qū)的風(fēng)能資源情況如何，風(fēng)電設(shè)備選型上都以MW級(jí)機(jī)組為目標(biāo)，以1.5MW機(jī)組選型為最多，而1.5MW級(jí)單機(jī)的額定風(fēng)速多以14m/s左右為主，一個(gè)二級(jí)風(fēng)能資源[4，5]的風(fēng)電場其年平均風(fēng)速70米輪轂高度的實(shí)測風(fēng)還不到6.6m/s，選用這樣的風(fēng)電設(shè)備，其出力也能算到兩千小時(shí)的年等效小時(shí)利用數(shù)，實(shí)難茍同。

評(píng)價(jià)一個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的主要風(fēng)險(xiǎn)變量有上網(wǎng)電量、固定資產(chǎn)投資、上網(wǎng)電價(jià)。前面在技術(shù)分析中主要談到了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力問題，此問題相關(guān)于上網(wǎng)電量，在電網(wǎng)電價(jià)暫不確定的情況下，由于風(fēng)電設(shè)備價(jià)格的較大波動(dòng)，風(fēng)電項(xiàng)目投資回報(bào)問題已經(jīng)成為影響風(fēng)電項(xiàng)目投資的主要因素之一。

在風(fēng)電項(xiàng)目固定資產(chǎn)投資中，風(fēng)電設(shè)備選型對(duì)投資影響最大，風(fēng)電設(shè)備選型及其組合方案與風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)模的關(guān)聯(lián)是最主要的因素?，F(xiàn)階段，風(fēng)電設(shè)備根據(jù)單機(jī)功率的劃分，遵循的是一個(gè)由小到大的發(fā)展路線，在一個(gè)系列產(chǎn)品中，單機(jī)功率較小的比較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)要早，產(chǎn)品更成熟。所以，一些單機(jī)功率稍小但國產(chǎn)化多年且逐步成熟穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如750kW機(jī)，盡管風(fēng)能利用效率理論上比不上同系列的MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但由于其已經(jīng)成熟、運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，其可利用率反而更高，而且其價(jià)格更有競爭力，具有較高的性價(jià)比。通過對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)電設(shè)備選型的多方案比較，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備選型與風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)模相關(guān)聯(lián)。采用不同的組合方案，對(duì)風(fēng)電設(shè)備投資的控制、風(fēng)電設(shè)備的可利用率等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

3　工程案例分析

以一個(gè)實(shí)際風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)電設(shè)備選型為例，按49.5MW裝機(jī)規(guī)模考慮，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來分析多種組合方式下的選型情況。結(jié)合目前國產(chǎn)、合資、外資本土化等風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備制造情況，此處提出如下幾種可供選擇的方案。方案一：用國產(chǎn)基本上已經(jīng)定型且成熟的750kW級(jí)機(jī)組，設(shè)備單kW造價(jià)的工程投資將有大幅降低。這一方案建議在電價(jià)不明確的情況下使用，選用的概率為10%。方案二：用國產(chǎn)基本上已經(jīng)定型且成熟的750kW機(jī)和1500kW機(jī)組合，也能有一定幅度的投資額下降。這一方案可以在電價(jià)不理想時(shí)使用，選用概率為20%。方案三：用國產(chǎn)已定型1500kW機(jī)，選用的概率為50%。方案四：用合資生產(chǎn)且滿足國產(chǎn)化70%要求的1500kW機(jī)組時(shí)，投資在方案三的基礎(chǔ)上有一定幅度的上升。這一方案由于受多方影響，選用的概率為20%。方案五：用進(jìn)口2000kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，設(shè)備造價(jià)和投資將大幅度提升。 根據(jù)現(xiàn)行可能的價(jià)格政策和上述的技術(shù)分析情況來看，投入此種機(jī)型將導(dǎo)致投資收益率和回報(bào)率都十分低，對(duì)本項(xiàng)目來說，將選用其的概率暫定為0%。各方案的具體參數(shù)詳見表1。

表1　某49.5MW規(guī)模風(fēng)電項(xiàng)目的設(shè)備可供選型方案

序號(hào)

方案

設(shè)備造價(jià)(萬元)

基準(zhǔn)率(%)

設(shè)備投資浮動(dòng)率(%)

工程總投資浮動(dòng)率(%)

設(shè)備單價(jià)(元/kW)

說明

備注

1

用750kW機(jī)

19800?

62.50

-37.50

-23.38

4000.00

按66臺(tái)國產(chǎn)750kW單機(jī)

國產(chǎn)

2

750kW和1500kW混合方案

25920.00

81.82

-18.18

-11.33

4000(750kW機(jī))6400(1500 kW機(jī))

按32臺(tái)750kW單機(jī)和17臺(tái)國產(chǎn)1500kW單機(jī)的組合方式

國產(chǎn)

3

用1500kW機(jī)

31680

100.00

--

6400.00

按33臺(tái)國產(chǎn)1500kW單機(jī)

國產(chǎn)

4

用1500kW機(jī)

38610

121.88

21.88

15.02

7800.0

按33臺(tái)合資或獨(dú)資達(dá)到國產(chǎn)化率70%要求的1500kW單機(jī)

合資

5

用2000kW機(jī)

50000

157.83

57.83

38.63

10000.00

按25臺(tái)合資或獨(dú)資達(dá)到國產(chǎn)化率70%要求的2000kW單機(jī)

進(jìn)口

機(jī)型

根據(jù)表1所列參數(shù)，在不同組合方案下，工程總投資的變動(dòng)量非常大，每一級(jí)組合情況下都有大于10%的差距，而采用各種組合方式計(jì)算的上網(wǎng)電量差要小于10%。這也就是說明，在相同的上網(wǎng)電價(jià)的情況下，功率較小一些的組合方案，如方案二，上網(wǎng)電量的降低相對(duì)投資的降低對(duì)計(jì)算投資回報(bào)來說影響要小，也就是說方案二的投資回報(bào)要好于方案三的投資回報(bào);反之，在規(guī)模一定、上網(wǎng)電價(jià)還沒有明確的情況下，方案二將比方案三有一個(gè)更有競爭力的上網(wǎng)電價(jià)。

另一個(gè)需要考慮的是風(fēng)電場的規(guī)模效應(yīng)問題。 以現(xiàn)階段的風(fēng)電設(shè)備單機(jī)規(guī)模來說，過小的裝機(jī)規(guī)模，如風(fēng)電場的設(shè)計(jì)裝機(jī)規(guī)模小于2萬kW，則不適宜進(jìn)行多種規(guī)格的風(fēng)電設(shè)備混裝。這一點(diǎn)無論是從風(fēng)電設(shè)備采購、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面，還是從組合的效益方面來說，風(fēng)電設(shè)備選型一定要進(jìn)行充分的投資、上網(wǎng)電量、上網(wǎng)電價(jià)三者的優(yōu)化組合上進(jìn)行分析。如圖3為菲律賓北風(fēng)風(fēng)電場，其裝機(jī)規(guī)模為1.65萬kW，選用的是同一規(guī)格的風(fēng)電設(shè)備。而對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)模較大、投資分期進(jìn)行的風(fēng)電項(xiàng)目，則可以考慮按前段組合方案來實(shí)施。一般而言，一個(gè)風(fēng)電場內(nèi)的上網(wǎng)電價(jià)在確定的時(shí)候基本上是一致的，不會(huì)有太大的變動(dòng)，選擇適合于本風(fēng)電場區(qū)風(fēng)能資源特點(diǎn)的一系列規(guī)格的風(fēng)電設(shè)備則是較優(yōu)方案。在中國很多地區(qū)，一個(gè)風(fēng)電場的建設(shè)，并不都是一次性建成的，一個(gè)較大的風(fēng)電場，都是經(jīng)過單機(jī)試運(yùn)行、多機(jī)小規(guī)模運(yùn)行、中等規(guī)模的裝機(jī)、直到大規(guī)模的裝機(jī)這個(gè)過程，在這個(gè)過程中，風(fēng)電設(shè)備的選型基本上都包含了對(duì)上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)及相關(guān)問題的分析考慮。圖4為內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場，該風(fēng)電場在近幾年的發(fā)展過程中，采取了多次建設(shè)、不同規(guī)模、規(guī)格不同的裝機(jī)方案，該風(fēng)電廠目前的運(yùn)營效益較佳。

4　結(jié)　論

綜上所述，風(fēng)電設(shè)備選型時(shí)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的準(zhǔn)確和有效評(píng)價(jià)，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資行為起著至關(guān)重要的作用。風(fēng)電設(shè)備選型及其組合方案與風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)模效應(yīng)是存在關(guān)聯(lián)的，風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)用簡單而有效的評(píng)價(jià)方法，找出風(fēng)電設(shè)備選型組合方案與風(fēng)電投資規(guī)模效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系。通過這些方法的實(shí)際應(yīng)用，能更好地提高風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和整體效益。

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