大叶轮直径“弱风速”风电机组带来的思考

　　目前，中国风电行业整机生产厂家众多，竞争激烈。生产厂家为了迎合业主、满足低风速地区的风电开发需求，不断推出长叶片机型，有的生产厂家为了增加销量和满足风电企业的机组利用小时数需求，还推出了加长叶片的老机型改造。但如不顾及风电场风况条件、机组及部件寿命、故障率和远期维护成本等因素，而片面地增加叶片长度，必将事与愿违，影响企业的长期收益，甚至危及行业的健康持续发展。
　　我国风电机组的风轮直径不断增大
　　根据中国风能协会统计数据， 2008年以前，风轮直径在 70m以下的 1.5MW型机组的装机量一直处于比较稳定的状态。在 2014年、 2015年安装和投运的机组中，风轮直径在 93m及以上的 1.5MW机组已经占绝大多数；风轮直径 82m以下的 2MW风电机组在 2009年以前的新增装机容量一直保持高速增长 ,而在 2013年、 2014年、 2015年风轮直径为 100m、105m、108m、110m、114m、115m、116m、 118m、120m、121m的 2MW机组陆续问世，并相继成为主流机型。
　　1.5MW和 2MW机组风轮直径的不断增加以及风电市场对其的反应，主要源自于我国对低风速风区开发的重视程度有所增加。大风轮直径的机组往往被厂商定义为“低风速型”、“弱风速型”风电机组。我国风电招投标体制，由于一般以千瓦功率为单位进行价格的对比，在短期内使叶片长度更长、风轮直径更大的产品受到市场青睐。而一些国际一流厂家则是在叶轮直径不变的情况下，不惜降低单位千瓦的扫风面积，千方百计地提高机组容量。例如： Vestas的 V164从最初的 7MW提高到了 8MW；Siemens直驱 SWT154则从最初的 6MW提高到了 7MW，在相似的运营成本条件下， SWT-7.0-154机组发电量比其前代产品 SWT-6.0-154提高了 10%。
　　从我国 1.5MW和 2MW机组风轮直径不断增加趋势可以很明显地看出，叶轮直径的增加，与机组的生产年份、我国的国情及消费者的偏好有着直接的关系；从趋势中解读出来与机组所处风况条件的关系来看，我国在 2008年以后，所建的风电场绝大多数都应属于“弱风速型”风电场，事实果真是这样的吗？是否有在本属于Ⅰ、Ⅱ类风区的机位或风电场安装“弱风速型”机组的问题？因此，叶轮直径增加可能带来的隐患和弊端值得引起同行们的重视与思考。
　　风电机组的设计
　　一、风电机组的设计流程与设计周期
　　风电机组的设计流程大致需经过：概念设计、初步设计、载荷计算、部件分析、详细设计、厂内试验及现场测试。实际整个设计阶段是一个不断的循环过程，通常需要三到五次循环。在详细设计完成后，需要将机组更为准确的参数用于载荷计算和控制器的设计，在新的载荷出来后又需要对初步设计的部件进行更新，也许原来设计不能满足要求，就需要对初步设计进行调整，再进行载荷计算和控制器的设计，以进入下一流程。因此，在机组进行批量生产之前，往往需要较长时间的样机试验，然后才批量投入市场。
　　对风电机组来说，一种新的机型，在短期内投运良好，还不能证明其开发成功、性能优异，可以大批量地投入生产。由于自然条件下风的变化性，风电机组的受力情况具有很强的交变性，实际运行工况极其复杂、多变，仅依靠软件模拟和厂内试验是难以准确、全面地对机组性能进行准确评估。再者，在厂内试验不能安装叶片，许多因变桨和叶片而产生的问题，厂内试验是根本没办法发现的。因此，需要通过在风电场的实际样机试运行，在实际的风电场运行过程中，对其运行状况进行仔细分析，及时发现问题，不断地改进和完善，经过各种风况和充分的风电场验证，等待产品成熟后，再投入批量生产。也只有这样，才能向市场推出合格、经得起长期风电场检验的机型。依据国外风电机组的研发经验，从概念设计到投入批量生产所需要的时间大约为 7年。
　　然而，从我国风电行业 1.5MW和 2MW的“低风速型”、“弱风速型”机组的研发到批量生产的时间来看，其设计周期普遍偏短，有的机型在没有经过样机投运的情况下，就投入了大批量生产。这样，机组的重要部件可能经不起长期风电场实践的检验，由此带来的风险很大。
　　二、风电机组与其他发电设备在研发与运行上的区别
　　风电机组容易受到疲劳载荷的严重影响。在 600kW机组中，风轮在 20年的寿命期内会旋转 2×108次。每旋转一周，在低速轴上的受力与作用在叶片上的重力均会出现周期性变化。同时，在风轮旋转平面上，会因风剪切力、偏航误差、轴倾斜、塔架阴影和湍流等效应产生循环变化的载荷。因此，许多风电机组部件的设计都取决于疲劳载荷而不是极限载荷。