78能源技術與管理2008年第6期風機選擇的系統(tǒng)動力學評價趙飛·衛(wèi)雅琦2趙健3(1中國京冶工程技術有限公司投賚管理部,北京10088:2中國礦業(yè)大學(北京),北京100083;3.中國人民解放軍防化指揮工程學院,北京102205)[摘要]風機是風力發(fā)電機組的重要組成部分,其性能的發(fā)揮直接影響到風場資源的利用和風能利用效率的高低。以風場風力資源狀況為基礎,剖析了影響風機工作的各個因素,并建立了風機選擇的系統(tǒng)動力模型。利用 Vensim Ple(5.5b)軟件進行仿真模擬,驗證了模型的正確性,最后以德國 Nordex公司、德國 Repower公司和金風科技公司生產的幾種風機為例,對風機機型選擇進行了實證分析。[關鍵詞]系統(tǒng)動力學;風機;評價;可再生能源[中圖分類號]TK89[文獻標識碼]A[文章編號]167294320080600784030引言是風機所適用的風場狀況,簡稱為風場系統(tǒng),包括風能資源、風速地形海拔高度和大氣壓狀況;另在風力發(fā)電中,風機是風力發(fā)電中最重要的一部分是風機自身的特征、特性,簡稱為風機系設備,對風能的利用和風電項日經濟效益有直接統(tǒng),包括風輪材料、風輪長度、風機角速度、風機轉影響;又由于風的特性是隨機的,風向、風速大小速等。模型分析的重點是在風能資源利用充分、風都是隨機在變化,風機需具有變速運行、功率調節(jié)能利用系數(shù)最大的情況下,選擇合適的現(xiàn)有風機等功能,因此針對不同的風力電場選擇合適的風機型(在此不考慮風機發(fā)電的經濟性)。機設備成為風力發(fā)電項目中的重要一環(huán)。22模型構建1在風機選擇方面應用系統(tǒng)動力學分析22.1風場系統(tǒng)的可行性及流程風速隨高度變化而變化,地面粗糙度越大,這種變化就越大,風速大小隨高度增大而非線性增1.1應用系統(tǒng)動力學分析的可行性加。高度h處的風速與高度h處的風速關系為在風機選擇評價中,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。風機選擇所涉及式中,V(h)為高度h處風速,m;V為高度到的各因素之間的關系適宜用系統(tǒng)動力學的方法h處風速,m;n為經驗指數(shù),由大氣穩(wěn)定度和地進行描述和分析,剖析風機運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相互作用關系,并在此基礎上建立系統(tǒng)動力學模在特定的地理環(huán)境下,同一風場的大氣壓、大型,進行模擬分析。氣密度隨海拔高度的增加而減小,此種因素關系1.2風機選擇的系統(tǒng)動力學建模流程可利用系統(tǒng)動力學中的表函數(shù)加以表述;而影響首先,收集風機、風場等基礎資料,并對風機、空氣動能的主要因素是風速和大氣密度,隨著高風場進行系統(tǒng)分析,確定系統(tǒng)動力學的模擬邊界;度的上升,風速增大,大氣密度減小,空氣動能與然后構建風機、風場的系統(tǒng)動力學模型,設定模擬風速之間成非線形關系。參數(shù)進行模型模擬,并根據(jù)實際情況檢驗模擬結2.2.,2風機系統(tǒng)果和修正模型;最后根據(jù)確定的模型進行實證分析提出決策建議。機V凵中出煤化工為例,不的風2模型構建輪葉CNMHG利用系數(shù)曲線不同所以葉片數(shù)目應根據(jù)風力機的用途來確定,21系統(tǒng)邊界的界定要得到較大輸出轉矩的風力機,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)。同時由于受葉片構成材料、變速齒輪箱技術2008年第6期趙飛,等風機選擇的系統(tǒng)動力學評價的限制,在風機設計過程中要盡可能提高風輪的(1)初始風速根據(jù)某風電場測定的10m高轉速減少葉片寬度、葉片數(shù)。從上述兩方面分析處風力速度設定如表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,風機葉片數(shù)目為3(根據(jù)現(xiàn)有風機幾何形式和轉速達到均衡狀態(tài)。機型設定)23模型參數(shù)的設定表1某風電場10m高處月平均風力速度測定風速6845785,253.563.883.707.35819744757(2)風機風輪半徑、風機額定功率根據(jù)不同風機機型出廠時的參數(shù)分別加以確定;(3)測定風場有效風速3-25m范圍內有效風速小時數(shù),用表函數(shù)形式給出(月份,有效風速小時數(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);年有效風速小時圖4風能利用系數(shù)(Cp)和葉尖速度比(λ)關系數(shù)累計為6954h由圖1可見,根據(jù)該系統(tǒng)動力學模型所得到3模型分析的風場50m高處月平均風速與實際測算的數(shù)據(jù)相符,與風場風力風速在年內的變化規(guī)律相一致;3.1模型驗證圖2和圖3中的S70風機風能利用系數(shù)、風機葉選用德國 nordex公司的S70風力機為驗證尖速比與生產廠家對該產品測定數(shù)據(jù)誤差較小,對象,該風機的額定功率為1500kW,設計額定且都在理論計算數(shù)據(jù)的范圍內;圖4較好擬合了風速為13ms,轉子直徑為70m,設計轉速為德國 Nordex公司S70s77風能利用系數(shù)圖148r/min,三葉片,葉片長為34m。模擬結果如圖在此,S70風機輸出功率較低的原因是該風1-4所示。機設計額定風速為13m/s,而廣東惠來石碑山風電場一年內50m高處的最大風速為103m,未達到額定風速值。模擬結果表明,該模型與實際相符,為風機選擇的系統(tǒng)動力學評價提供了模擬基礎。234568910ltl232實證研究時間月321研究前提的設定圖150m高處月平均風速以上述模型驗證所采用某風電場的數(shù)據(jù)為分析基礎,選取德國 nordex公司、金風科技和德國Repower公司的幾種風機機型進行模擬對比,以期找出適合風場風能資源開發(fā)的風機機型。三個公司風機型號和性能如表2所示。時間月表2各風機型號和性能參照表圖2S70風機風能利用系數(shù)生產廠商德國Nnex金風科技德囚 RepowerN9O2300S43-600S48-750MD70MM7額定葉輪直葉片H中國煤化工15002000CNMHG2345678910ll12轉速范圍rmin)13317.8-268223106-1910-20圖3S70風機葉尖速度比3.22模擬結果能源技術與管理2008年第6期模擬結果如圖5~7所示。(2)風能利用系數(shù)分析。由于風能利用系數(shù)MM70N90-2300Cp的極大值為0.593,是衡量風場風能有沒有高效利用的量,因此風場選擇所裝配風機時也應該考慮該系數(shù)。從模擬結果看,MM70的風能利用系數(shù)最大,S43-600次之,N902300最低。從此因素看,應該選擇MM70型號的風機(3)綜合分析評價。由于風機從單機容量為234569101112時間/月025MW到25MW的各種機型中,單位千瓦造價圖5各型號風機輸出功率隨單機容量的變化量呈U形變化趨勢,目前600kW風機的單位千瓦造價正處在U形曲線的MM70···N90-2300區(qū)士M7548-750最低點。根據(jù)各機組千瓦造價統(tǒng)計的統(tǒng)計值,可計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)電量年累計風機額風機單位單位投資機型型號發(fā)電量定功率造價/可發(fā)電量/5678910l12(元/kW)(kWh元)時間月388200圖6各型號風機累積年提取風能圖N9o23004439300230S43-6001158080600044915004M7N020543460MD70289519015006800s48-75014476000429由表3可以看出,單位投資可發(fā)電量由高到低排序為S43-60>S48-750>MD70>MM70>N902300。根據(jù)費用效果分析的方法,應選擇12345678901112S43-600機型能夠保證投入產出的效率最大,并時間月使得風能利用系數(shù)達到較為滿意水平,該理論評圖7各型號風機風能利用系數(shù)3.23模擬結果分析價結果與某投資項目實際風機選擇情況相符。(1)風機輸出功率和年累計提取風能分析。4結論德國 Nordex公司的N2300風機輸出功率最大,其主要原因是風機輸出功率受額定功率和風從上述風機系統(tǒng)動力學模型的模擬結果看能利用系數(shù)的影響;由風機型號和性能參照表可該模型較好的擬合了風機運行、風場風能開發(fā)的知N902300的額定功率最大,且風能利用系數(shù)實際;并能夠根據(jù)給定風場的實際風力資源狀況變化趨勢相同。從年累計提取風能看,其由大到小綜合風能利用系數(shù)、風機利用和風能資源提取等的排列順序是N92300>MM70>MD70>S48因素,為風機應用評價提供理論參考依據(jù)。750>S43-600,這是因為風機輸出功率和風機運[參考文獻行時間的乘積決定了年累計提取風能,且風機運[1]劉萬琨張志英李銀風,等風能與風力發(fā)電技術M行時間是由風機能夠正常運行時的風速出現(xiàn)時間北京:化學工業(yè)出版社,2007決定。在模型中上述風機的啟動風速都設定為[作者簡介]3m/s,從而風機能夠正常運行時的風速出現(xiàn)時間趙飛(1981-),男,碩士,畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(北京)具有一致性,最終使得年累計提取風能與風機輸技術經濟及管理專業(yè)現(xiàn)工作于中國京冶工程技術有限公出功率具有相同的排列順序。在此以風機提取風司YH中國煤化工目評價與評估。能最大為標準,某風電場應選擇額定功率大的風CNMHG日期:2008-05-31]機,即 Nordex公司的N902300風機