風(fēng)機選擇的系統動(dòng)力學(xué)評價(jià)

78能源技術(shù)與管理2008年第6期風(fēng)機選擇的系統動(dòng)力學(xué)評價(jià)趙飛·衛雅琦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)機是風(fēng)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(fēng)場(chǎng)資源的利用和風(fēng)能利用效率的高低。以風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力資源狀況為基礎,剖析了影響風(fēng)機工作的各個(gè)因素,并建立了風(fēng)機選擇的系統動(dòng)力模型。利用 Vensim Ple(5.5b)軟件進(jìn)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(fēng)科技公司生產(chǎn)的幾種風(fēng)機為例,對風(fēng)機機型選擇進(jìn)行了實(shí)證分析。[關(guān)鍵詞]系統動(dòng)力學(xué);風(fēng)機;評價(jià);可再生能源[中圖分類(lèi)號]TK89[文獻標識碼]A[文章編號]167294320080600784030引言是風(fēng)機所適用的風(fēng)場(chǎng)狀況,簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)場(chǎng)系統,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)機是風(fēng)力發(fā)電中最重要的一部分是風(fēng)機自身的特征、特性,簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)機系設備,對風(fēng)能的利用和風(fēng)電項日經(jīng)濟效益有直接統,包括風(fēng)輪材料、風(fēng)輪長(cháng)度、風(fēng)機角速度、風(fēng)機轉影響;又由于風(fēng)的特性是隨機的,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)都是隨機在變化,風(fēng)機需具有變速運行、功率調節能利用系數最大的情況下,選擇合適的現有風(fēng)機等功能,因此針對不同的風(fēng)力電場(chǎng)選擇合適的風(fēng)機型(在此不考慮風(fēng)機發(fā)電的經(jīng)濟性)。機設備成為風(fēng)力發(fā)電項目中的重要一環(huán)。22模型構建1在風(fēng)機選擇方面應用系統動(dòng)力學(xué)分析22.1風(fēng)場(chǎng)系統的可行性及流程風(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(xiàn)性增1.1應用系統動(dòng)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)系適宜用系統動(dòng)力學(xué)的方法h處風(fēng)速,m;n為經(jīng)驗指數,由大氣穩定度和地進(jìn)行描述和分析,剖析風(fēng)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(guān)系,并在此基礎上建立系統動(dòng)力學(xué)模在特定的地理環(huán)境下,同一風(fēng)場(chǎng)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)機選擇的系統動(dòng)力學(xué)建模流程可利用系統動(dòng)力學(xué)中的表函數加以表述;而影響首先,收集風(fēng)機、風(fēng)場(chǎng)等基礎資料,并對風(fēng)機、空氣動(dòng)能的主要因素是風(fēng)速和大氣密度,隨著(zhù)高風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行系統分析,確定系統動(dòng)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(dòng)能與然后構建風(fēng)機、風(fēng)場(chǎng)的系統動(dòng)力學(xué)模型,設定模擬風(fēng)速之間成非線(xiàn)形關(guān)系。參數進(jìn)行模型模擬,并根據實(shí)際情況檢驗模擬結2.2.,2風(fēng)機系統果和修正模型;最后根據確定的模型進(jìn)行實(shí)證分析提出決策建議。機V凵中出煤化工為例,不的風(fēng)2模型構建輪葉CNMHG利用系數曲線(xiàn)不同所以葉片數目應根據風(fēng)力機的用途來(lái)確定,21系統邊界的界定要得到較大輸出轉矩的風(fēng)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。同時(shí)由于受葉片構成材料、變速齒輪箱技術(shù)2008年第6期趙飛,等風(fēng)機選擇的系統動(dòng)力學(xué)評價(jià)的限制,在風(fēng)機設計過(guò)程中要盡可能提高風(fēng)輪的(1)初始風(fēng)速根據某風(fēng)電場(chǎng)測定的10m高轉速減少葉片寬度、葉片數。從上述兩方面分析處風(fēng)力速度設定如表1所示大氣密度為12kgm,來(lái)看,要合理選擇葉片數目、葉片尺寸,使葉片的分析期為1a,風(fēng)機葉片數目為3(根據現有風(fēng)機幾何形式和轉速達到均衡狀態(tài)。機型設定)23模型參數的設定表1某風(fēng)電場(chǎng)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)機風(fēng)輪半徑、風(fēng)機額定功率根據不同風(fēng)機機型出廠(chǎng)時(shí)的參數分別加以確定;(3)測定風(fēng)場(chǎng)有效風(fēng)速3-25m范圍內有效風(fēng)速小時(shí)數,用表函數形式給出(月份,有效風(fēng)速小時(shí)數):(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(Cp)和葉尖速度比(λ)關(guān)系數累計為6954h由圖1可見(jiàn),根據該系統動(dòng)力學(xué)模型所得到3模型分析的風(fēng)場(chǎng)50m高處月平均風(fēng)速與實(shí)際測算的數據相符,與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力風(fēng)速在年內的變化規律相一致;3.1模型驗證圖2和圖3中的S70風(fēng)機風(fēng)能利用系數、風(fēng)機葉選用德國 nordex公司的S70風(fēng)力機為驗證尖速比與生產(chǎn)廠(chǎng)家對該產(chǎn)品測定數據誤差較小,對象,該風(fēng)機的額定功率為1500kW,設計額定且都在理論計算數據的范圍內;圖4較好擬合了風(fēng)速為13ms,轉子直徑為70m,設計轉速為德國 Nordex公司S70s77風(fēng)能利用系數圖148r/min,三葉片,葉片長(cháng)為34m。模擬結果如圖在此,S70風(fēng)機輸出功率較低的原因是該風(fēng)1-4所示。機設計額定風(fēng)速為13m/s,而廣東惠來(lái)石碑山風(fēng)電場(chǎng)一年內50m高處的最大風(fēng)速為103m,未達到額定風(fēng)速值。模擬結果表明,該模型與實(shí)際相符,為風(fēng)機選擇的系統動(dòng)力學(xué)評價(jià)提供了模擬基礎。234568910ltl232實(shí)證研究時(shí)間月321研究前提的設定圖150m高處月平均風(fēng)速以上述模型驗證所采用某風(fēng)電場(chǎng)的數據為分析基礎,選取德國 nordex公司、金風(fēng)科技和德國Repower公司的幾種風(fēng)機機型進(jìn)行模擬對比,以期找出適合風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)的風(fēng)機機型。三個(gè)公司風(fēng)機型號和性能如表2所示。時(shí)間月表2各風(fēng)機型號和性能參照表圖2S70風(fēng)機風(fēng)能利用系數生產(chǎn)廠(chǎng)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轉速范圍rmin)13317.8-268223106-1910-20圖3S70風(fēng)機葉尖速度比3.22模擬結果能源技術(shù)與管理2008年第6期模擬結果如圖5~7所示。(2)風(fēng)能利用系數分析。由于風(fēng)能利用系數MM70N90-2300Cp的極大值為0.593,是衡量風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能有沒(méi)有高效利用的量,因此風(fēng)場(chǎng)選擇所裝配風(fēng)機時(shí)也應該考慮該系數。從模擬結果看,MM70的風(fēng)能利用系數最大,S43-600次之,N902300最低。從此因素看,應該選擇MM70型號的風(fēng)機(3)綜合分析評價(jià)。由于風(fēng)機從單機容量為234569101112時(shí)間/月025MW到25MW的各種機型中,單位千瓦造價(jià)圖5各型號風(fēng)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(fēng)機的單位千瓦造價(jià)正處在U形曲線(xiàn)的MM70···N90-2300區士M7548-750最低點(diǎn)。根據各機組千瓦造價(jià)統計的統計值,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(fēng)機額風(fēng)機單位單位投資機型型號發(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)電量由高到低排序為S43-60>S48-750>MD70>MM70>N902300。根據費用效果分析的方法,應選擇12345678901112S43-600機型能夠保證投入產(chǎn)出的效率最大,并時(shí)間月使得風(fēng)能利用系數達到較為滿(mǎn)意水平,該理論評圖7各型號風(fēng)機風(fēng)能利用系數3.23模擬結果分析價(jià)結果與某投資項目實(shí)際風(fēng)機選擇情況相符。(1)風(fēng)機輸出功率和年累計提取風(fēng)能分析。4結論德國 Nordex公司的N2300風(fēng)機輸出功率最大,其主要原因是風(fēng)機輸出功率受額定功率和風(fēng)從上述風(fēng)機系統動(dòng)力學(xué)模型的模擬結果看能利用系數的影響;由風(fēng)機型號和性能參照表可該模型較好的擬合了風(fēng)機運行、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能開(kāi)發(fā)的知N902300的額定功率最大,且風(fēng)能利用系數實(shí)際;并能夠根據給定風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)力資源狀況變化趨勢相同。從年累計提取風(fēng)能看,其由大到小綜合風(fēng)能利用系數、風(fēng)機利用和風(fēng)能資源提取等的排列順序是N92300>MM70>MD70>S48因素,為風(fēng)機應用評價(jià)提供理論參考依據。750>S43-600,這是因為風(fēng)機輸出功率和風(fēng)機運[參考文獻行時(shí)間的乘積決定了年累計提取風(fēng)能,且風(fēng)機運[1]劉萬(wàn)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)機能夠正常運行時(shí)的風(fēng)速出現時(shí)間北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007決定。在模型中上述風(fēng)機的啟動(dòng)風(fēng)速都設定為[作者簡(jiǎn)介]3m/s,從而風(fēng)機能夠正常運行時(shí)的風(fēng)速出現時(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,最終使得年累計提取風(fēng)能與風(fēng)機輸技術(shù)經(jīng)濟及管理專(zhuān)業(yè)現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)機提取風(fēng)司YH中國煤化工目評價(jià)與評估。能最大為標準,某風(fēng)電場(chǎng)應選擇額定功率大的風(fēng)CNMHG日期:2008-05-31]機,即 Nordex公司的N902300風(fēng)機