78能源技術(shù)與管理2008年第6期風(fēng)機(jī)選擇的系統(tǒng)動力學(xué)評價(jià)趙飛·衛(wèi)雅琦2趙健3(1中國京冶工程技術(shù)有限公司投賚管理部,北京10088:2中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京100083;3.中國人民解放軍防化指揮工程學(xué)院,北京102205)[摘要]風(fēng)機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分,其性能的發(fā)揮直接影響到風(fēng)場資源的利用和風(fēng)能利用效率的高低。以風(fēng)場風(fēng)力資源狀況為基礎(chǔ),剖析了影響風(fēng)機(jī)工作的各個(gè)因素,并建立了風(fēng)機(jī)選擇的系統(tǒng)動力模型。利用 Vensim Ple(5.5b)軟件進(jìn)行仿真模擬,驗(yàn)證了模型的正確性,最后以德國 Nordex公司、德國 Repower公司和金風(fēng)科技公司生產(chǎn)的幾種風(fēng)機(jī)為例,對風(fēng)機(jī)機(jī)型選擇進(jìn)行了實(shí)證分析。[關(guān)鍵詞]系統(tǒng)動力學(xué);風(fēng)機(jī);評價(jià);可再生能源[中圖分類號]TK89[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]167294320080600784030引言是風(fēng)機(jī)所適用的風(fēng)場狀況,簡稱為風(fēng)場系統(tǒng),包括風(fēng)能資源、風(fēng)速地形海拔高度和大氣壓狀況;另在風(fēng)力發(fā)電中,風(fēng)機(jī)是風(fēng)力發(fā)電中最重要的一部分是風(fēng)機(jī)自身的特征、特性,簡稱為風(fēng)機(jī)系設(shè)備,對風(fēng)能的利用和風(fēng)電項(xiàng)日經(jīng)濟(jì)效益有直接統(tǒng),包括風(fēng)輪材料、風(fēng)輪長度、風(fēng)機(jī)角速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)影響;又由于風(fēng)的特性是隨機(jī)的,風(fēng)向、風(fēng)速大小速等。模型分析的重點(diǎn)是在風(fēng)能資源利用充分、風(fēng)都是隨機(jī)在變化,風(fēng)機(jī)需具有變速運(yùn)行、功率調(diào)節(jié)能利用系數(shù)最大的情況下,選擇合適的現(xiàn)有風(fēng)機(jī)等功能,因此針對不同的風(fēng)力電場選擇合適的風(fēng)機(jī)型(在此不考慮風(fēng)機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性)。機(jī)設(shè)備成為風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中的重要一環(huán)。22模型構(gòu)建1在風(fēng)機(jī)選擇方面應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)分析22.1風(fēng)場系統(tǒng)的可行性及流程風(fēng)速隨高度變化而變化,地面粗糙度越大,這種變化就越大,風(fēng)速大小隨高度增大而非線性增1.1應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)分析的可行性加。高度h處的風(fēng)速與高度h處的風(fēng)速關(guān)系為在風(fēng)機(jī)選擇評價(jià)中,所涉及的各因素不僅繁V(h)=V(wh)a多,而且部分因素之間互相影響。風(fēng)機(jī)選擇所涉及式中,V(h)為高度h處風(fēng)速,m;V為高度到的各因素之間的關(guān)系適宜用系統(tǒng)動力學(xué)的方法h處風(fēng)速,m;n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù),由大氣穩(wěn)定度和地進(jìn)行描述和分析,剖析風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響因素之間的面粗糙度決定范圍在1/2~18之間,一般取1/7相互作用關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)動力學(xué)模在特定的地理環(huán)境下,同一風(fēng)場的大氣壓、大型,進(jìn)行模擬分析。氣密度隨海拔高度的增加而減小,此種因素關(guān)系1.2風(fēng)機(jī)選擇的系統(tǒng)動力學(xué)建模流程可利用系統(tǒng)動力學(xué)中的表函數(shù)加以表述;而影響首先,收集風(fēng)機(jī)、風(fēng)場等基礎(chǔ)資料,并對風(fēng)機(jī)、空氣動能的主要因素是風(fēng)速和大氣密度,隨著高風(fēng)場進(jìn)行系統(tǒng)分析,確定系統(tǒng)動力學(xué)的模擬邊界;度的上升,風(fēng)速增大,大氣密度減小,空氣動能與然后構(gòu)建風(fēng)機(jī)、風(fēng)場的系統(tǒng)動力學(xué)模型,設(shè)定模擬風(fēng)速之間成非線形關(guān)系。參數(shù)進(jìn)行模型模擬,并根據(jù)實(shí)際情況檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)2.2.,2風(fēng)機(jī)系統(tǒng)果和修正模型;最后根據(jù)確定的模型進(jìn)行實(shí)證分析提出決策建議。機(jī)V凵中出煤化工為例,不的風(fēng)2模型構(gòu)建輪葉CNMHG利用系數(shù)曲線不同所以葉片數(shù)目應(yīng)根據(jù)風(fēng)力機(jī)的用途來確定,21系統(tǒng)邊界的界定要得到較大輸出轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力機(jī),就需要較多的葉本文研究所涉及的對象分為兩部分:一部分片數(shù)。同時(shí)由于受葉片構(gòu)成材料、變速齒輪箱技術(shù)2008年第6期趙飛,等風(fēng)機(jī)選擇的系統(tǒng)動力學(xué)評價(jià)的限制,在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中要盡可能提高風(fēng)輪的(1)初始風(fēng)速根據(jù)某風(fēng)電場測定的10m高轉(zhuǎn)速減少葉片寬度、葉片數(shù)。從上述兩方面分析處風(fēng)力速度設(shè)定如表1所示大氣密度為12kgm,來看,要合理選擇葉片數(shù)目、葉片尺寸,使葉片的分析期為1a,風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目為3(根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)幾何形式和轉(zhuǎn)速達(dá)到均衡狀態(tài)。機(jī)型設(shè)定)23模型參數(shù)的設(shè)定表1某風(fēng)電場10m高處月平均風(fēng)力速度測定風(fēng)速6845785,253.563.883.707.35819744757(2)風(fēng)機(jī)風(fēng)輪半徑、風(fēng)機(jī)額定功率根據(jù)不同風(fēng)機(jī)機(jī)型出廠時(shí)的參數(shù)分別加以確定;(3)測定風(fēng)場有效風(fēng)速3-25m范圍內(nèi)有效風(fēng)速小時(shí)數(shù),用表函數(shù)形式給出(月份,有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)):(1,720),(2,659),(3,654),(4,646),0123456789l0I1213(5,616),(6,472),(7,497),(8,156),(9,404)(10,742),(11,691),(12,607);年有效風(fēng)速小時(shí)圖4風(fēng)能利用系數(shù)(Cp)和葉尖速度比(λ)關(guān)系數(shù)累計(jì)為6954h由圖1可見,根據(jù)該系統(tǒng)動力學(xué)模型所得到3模型分析的風(fēng)場50m高處月平均風(fēng)速與實(shí)際測算的數(shù)據(jù)相符,與風(fēng)場風(fēng)力風(fēng)速在年內(nèi)的變化規(guī)律相一致;3.1模型驗(yàn)證圖2和圖3中的S70風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)機(jī)葉選用德國 nordex公司的S70風(fēng)力機(jī)為驗(yàn)證尖速比與生產(chǎn)廠家對該產(chǎn)品測定數(shù)據(jù)誤差較小,對象,該風(fēng)機(jī)的額定功率為1500kW,設(shè)計(jì)額定且都在理論計(jì)算數(shù)據(jù)的范圍內(nèi);圖4較好擬合了風(fēng)速為13ms,轉(zhuǎn)子直徑為70m,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為德國 Nordex公司S70s77風(fēng)能利用系數(shù)圖148r/min,三葉片,葉片長為34m。模擬結(jié)果如圖在此,S70風(fēng)機(jī)輸出功率較低的原因是該風(fēng)1-4所示。機(jī)設(shè)計(jì)額定風(fēng)速為13m/s,而廣東惠來石碑山風(fēng)電場一年內(nèi)50m高處的最大風(fēng)速為103m,未達(dá)到額定風(fēng)速值。模擬結(jié)果表明,該模型與實(shí)際相符,為風(fēng)機(jī)選擇的系統(tǒng)動力學(xué)評價(jià)提供了模擬基礎(chǔ)。234568910ltl232實(shí)證研究時(shí)間月321研究前提的設(shè)定圖150m高處月平均風(fēng)速以上述模型驗(yàn)證所采用某風(fēng)電場的數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ),選取德國 nordex公司、金風(fēng)科技和德國Repower公司的幾種風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行模擬對比,以期找出適合風(fēng)場風(fēng)能資源開發(fā)的風(fēng)機(jī)機(jī)型。三個(gè)公司風(fēng)機(jī)型號和性能如表2所示。時(shí)間月表2各風(fēng)機(jī)型號和性能參照表圖2S70風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)生產(chǎn)廠商德國Nnex金風(fēng)科技德囚 RepowerN9O2300S43-600S48-750MD70MM7額定葉輪直葉片H中國煤化工15002000CNMHG2345678910ll12轉(zhuǎn)速范圍rmin)13317.8-268223106-1910-20圖3S70風(fēng)機(jī)葉尖速度比3.22模擬結(jié)果能源技術(shù)與管理2008年第6期模擬結(jié)果如圖5~7所示。(2)風(fēng)能利用系數(shù)分析。由于風(fēng)能利用系數(shù)MM70N90-2300Cp的極大值為0.593,是衡量風(fēng)場風(fēng)能有沒有高效利用的量,因此風(fēng)場選擇所裝配風(fēng)機(jī)時(shí)也應(yīng)該考慮該系數(shù)。從模擬結(jié)果看,MM70的風(fēng)能利用系數(shù)最大,S43-600次之,N902300最低。從此因素看,應(yīng)該選擇MM70型號的風(fēng)機(jī)(3)綜合分析評價(jià)。由于風(fēng)機(jī)從單機(jī)容量為234569101112時(shí)間/月025MW到25MW的各種機(jī)型中,單位千瓦造價(jià)圖5各型號風(fēng)機(jī)輸出功率隨單機(jī)容量的變化量呈U形變化趨勢,目前600kW風(fēng)機(jī)的單位千瓦造價(jià)正處在U形曲線的MM70···N90-2300區(qū)士M7548-750最低點(diǎn)。根據(jù)各機(jī)組千瓦造價(jià)統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)值,可計(jì)3600十算出單位投資可發(fā)電量如表3所示。表3單位投資可發(fā)電量年累計(jì)風(fēng)機(jī)額風(fēng)機(jī)單位單位投資機(jī)型型號發(fā)電量定功率造價(jià)/可發(fā)電量/5678910l12(元/kW)(kWh元)時(shí)間月388200圖6各型號風(fēng)機(jī)累積年提取風(fēng)能圖N9o23004439300230S43-6001158080600044915004M7N020543460MD70289519015006800s48-75014476000429由表3可以看出,單位投資可發(fā)電量由高到低排序?yàn)镾43-60>S48-750>MD70>MM70>N902300。根據(jù)費(fèi)用效果分析的方法,應(yīng)選擇12345678901112S43-600機(jī)型能夠保證投入產(chǎn)出的效率最大,并時(shí)間月使得風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到較為滿意水平,該理論評圖7各型號風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)3.23模擬結(jié)果分析價(jià)結(jié)果與某投資項(xiàng)目實(shí)際風(fēng)機(jī)選擇情況相符。(1)風(fēng)機(jī)輸出功率和年累計(jì)提取風(fēng)能分析。4結(jié)論德國 Nordex公司的N2300風(fēng)機(jī)輸出功率最大,其主要原因是風(fēng)機(jī)輸出功率受額定功率和風(fēng)從上述風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型的模擬結(jié)果看能利用系數(shù)的影響;由風(fēng)機(jī)型號和性能參照表可該模型較好的擬合了風(fēng)機(jī)運(yùn)行、風(fēng)場風(fēng)能開發(fā)的知N902300的額定功率最大,且風(fēng)能利用系數(shù)實(shí)際;并能夠根據(jù)給定風(fēng)場的實(shí)際風(fēng)力資源狀況變化趨勢相同。從年累計(jì)提取風(fēng)能看,其由大到小綜合風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)機(jī)利用和風(fēng)能資源提取等的排列順序是N92300>MM70>MD70>S48因素,為風(fēng)機(jī)應(yīng)用評價(jià)提供理論參考依據(jù)。750>S43-600,這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)輸出功率和風(fēng)機(jī)運(yùn)[參考文獻(xiàn)行時(shí)間的乘積決定了年累計(jì)提取風(fēng)能,且風(fēng)機(jī)運(yùn)[1]劉萬琨張志英李銀風(fēng),等風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)M行時(shí)間是由風(fēng)機(jī)能夠正常運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007決定。在模型中上述風(fēng)機(jī)的啟動風(fēng)速都設(shè)定為[作者簡介]3m/s,從而風(fēng)機(jī)能夠正常運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間趙飛(1981-),男,碩士,畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)具有一致性,最終使得年累計(jì)提取風(fēng)能與風(fēng)機(jī)輸技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理專業(yè)現(xiàn)工作于中國京冶工程技術(shù)有限公出功率具有相同的排列順序。在此以風(fēng)機(jī)提取風(fēng)司YH中國煤化工目評價(jià)與評估。能最大為標(biāo)準(zhǔn),某風(fēng)電場應(yīng)選擇額定功率大的風(fēng)CNMHG日期:2008-05-31]機(jī),即 Nordex公司的N902300風(fēng)機(jī)