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年等效满发利用小时数超过3000
中国海上风电机组的发展方向探索
2017-03-16 18:01  · 来源:中国能源报  · 作者:郑杰  · 责编:新能源

      中国能源报┃随着《风电发展“十三五”规划》的下发,国内海上风电迎来新的发展机遇。《规划》明确提出,要积极稳妥推进海上风电建设,到2020年,全国海上风电开工建设规模达到1000万千瓦,力争累计并网容量达到500万千瓦以上。海上风电正在全面启动中。

  不过,对于开发商而言,哪种风机机型最适合中国的海上风电,实现度电成本最优,似乎目前尚无定论。作为中国风电行业的“国家队”,海装多年以来在行业里秉承着这样的观点——提高单位千瓦扫风面积是提升风电经济性最直接的手段。海装最近几年持续开发102-2MW、111-2MW、12X-2MW、151-5MW、171-5MW的理论基础也在于此。 

  笔者作为从事海上风电设计开发多年的一名从业者,在此抛砖引玉,探讨一下中国海上风电机型总体参数匹配思路。 

  1、  为什么中国海上风电需要年满发利用小时数3000以上的机型? 

  作为定性比较,本文仅通过平均单位千瓦动态投资和年发电收益之间的比值来确定一个投资回报系数。按照一般陆上风电项目要求的资本金收益率须高于10%的指标,陆上风电的营收平衡点是——年等效满发利用小时数大约2000小时。 

  表1  行业平均投资收益参数对比参考 

 

陆上风电行业平均参考值

海上风电行业平均参考值

单位千瓦动态投资

7500

17000

风电标杆电价

0.57元(类地区

0.85

年等效满发利用小时数

2000

3040

投资回报系数

6.58

6.58

  由上表可以看出,为了保证项目的资本金收益率,如果海上风电整体造价持续居高不下,从通过市场手段有效推动整个海上风电行业发展的角度,研制年等效满发利用小时数超过3000的海上风电机组及相关技术,是整机企业唯一的发展方向,也是其必须承担的行业责任。 

  2、  总体参数如何匹配才能提升满发小时数? 

  对于风机机组总体设计而言,第一步就是风轮直径和额定功率的匹配。定性的来说,在目前叶片气动性能、整机性能相差不大的情况下,风轮直径越大,从风中吸收的能量也就越大,发电量也就越高。 

  为了直观的反映两者之间的关系,行业制定了一项术语——单位千瓦扫风面积,其计算公式为:单位千瓦扫风面积=(π×风轮直径2/4)/额定功率。风轮直径代表着发电量,额定功率代表着投资成本,单位千瓦扫风面积意味着性价比。 

  从近几年我国陆上风电的发展进程来看,在以高单位千瓦扫风面积为核心指标的低风速风电机组开发领域,我国整机企业引领了世界的潮流。以GE和VESTAS为代表的国际巨头也放弃了传统做法——在不改变机型结构的情况下,单纯改进电气传动,增大额定输出功率。而是跟随国内行业的步伐,研制并推出新的高单位千瓦扫风面积风电机组。西门子也于近期安装了一台142-3.15MW测试机组,单位千瓦扫风面积为5.02(单位略,以下同)。据悉该机型在年平均风速6m/s时,年等效满发利用小时数约为3175。 

  国内外风电行业十年的发展历程可以证明,提高单位千瓦扫风面积是提升满发小时数最直接有效的手段。 

  3、  匹配到什么程度才能实现满发小时数达到3000? 

    

  图1  典型三类风区风轮直径与额定功率匹配趋势图 

  这是2016年10月19日北京风能大会上海装风电演讲PPT中的一页。从风电行业传统总体参数匹配的历史数据来看,Ⅲ类风机原型机单位千瓦扫风面积基本都在3.5左右,陆上风电典型代表82-1.5MW为3.52,93-2MW为3.4,海上风电典型代表136-4.2MW为3.46,151-MW为3.58。随着市场需求的增加和技术的进步,单位千瓦扫风面积提高到4.5左右。陆上风电典型代表93-1.5MW为4.53,111-2MW为4.84。 

  近两年陆上风电提升技术持续发展,12X-2MW的单位千瓦扫风面积已接近6。而海上风电171-5MW尚在4.59的水平上,某篇文章所提到的最适合的145-4.5MW仅为3.67。 

典型单位千瓦扫风面积均值

3.5

4.5

5.5

设计理论年满发利用小时数

年平均风速7.5m/s

2600

3200

3800

年平均风速6.5m/s

2100

2500

3000

年平均风速5.5m/s

1500

2000

2400

 表2典型单位千瓦扫风面积机型在典型风况下设计理论年满发小时数对比 

  如上表所示,对于年平均风速低于7.5m/s的长江口以北的海上风电场,单位千瓦扫风面积3.5左右机组,设计理论年满发小时数大约为2600。要达到3000小时的目标,需要单位千瓦扫风面积4.5以上的机型才能有所保障,目前仅有171-5MW等少数机型能够达到这一目标。 

  后记 

  目前有意愿参与海上风电的企业均是有愿景有实力的行业翘楚,大家都在从各方面推动行业进步。在目前破冰初显的阶段,笔者认为,作为以系统集成匹配技术为核心的整机企业而言,不能坐等万事俱备,应通过技术创新和突破,努力通过市场手段,带领和促进我国风电行业配套和工业基础的进步,看齐国际一流水平,实现中国创造。 

  注: 本文仅从定性角度,原理性阐述风轮直径与额定功率总体参数匹配,同经济性之间的关系。实际上海上风电经济性还涉及,节约用海、工程配套、系统可靠性、运维、供应链等诸多方面的内容,本文不做展开描述。   作者:供职中船重工(重庆)海装风电风电设备有限公司

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