基于能量償還時間的小型風(fēng)力發(fā)電機預(yù)安裝評估

廖智強,莫秋云,2*

(1.桂林電子科技大學(xué)海洋信息工程學(xué)院,桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院,桂林 541004)

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù),近幾年發(fā)展迅速。根據(jù)全球風(fēng)能理事會報告[1],2017年度中國風(fēng)電裝機新增了19.5 GW,累計裝機已達188.232 GW,中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日趨成熟,市場化和商業(yè)化的轉(zhuǎn)型正穩(wěn)步進行。其中,在某些偏遠地區(qū),由于缺少電網(wǎng)覆蓋,為了緩解供電緊張,多采用小型風(fēng)力發(fā)電機進行補充供電。風(fēng)力發(fā)電機雖然是利用清潔的風(fēng)能資源進行發(fā)電,但以全生命周期角度來分析,風(fēng)電機的生產(chǎn)制造、運輸使用、報廢/回收等階段均會不可避免地產(chǎn)生資源消耗和環(huán)境影響。

能量償還時間(energy pay back time,EPBT)指標(biāo),即生命周期內(nèi)的輸入的總能量與年發(fā)電量之比[2]。能量償還時間指標(biāo)時能夠衡量風(fēng)機發(fā)電能力,并通過與使用壽命相比較,對其綠色效益進行有效的驗證。Tremeac等[3]通過對4.5 MW以及250 W的風(fēng)機發(fā)電機進行對比研究,發(fā)現(xiàn)相對小型風(fēng)機,大型風(fēng)機償還時間較短,綠色效益更好；楊東等[4]利用生命周期評價方法分析一款2 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的環(huán)境影響,發(fā)現(xiàn)該型風(fēng)機能量回收期為0.79 a,綠色效益達到預(yù)期目標(biāo)；王曉天[5]通過計算發(fā)現(xiàn),某風(fēng)電場償還時間為0.74 a,綠色效益仍有一定提升空間。

然而,當(dāng)前多數(shù)小型風(fēng)機安裝后的實際償還時間與預(yù)期相差較大,回報率達不到預(yù)期目標(biāo),容易造成自然資源的浪費。現(xiàn)利用動態(tài)生命周期評價(life cycle assessment,LCA)理論結(jié)合償還時間指標(biāo),對某款離網(wǎng)小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機進行預(yù)安裝評估,并針對性地給出改善方案,為風(fēng)機的設(shè)計、型號選擇、安裝地選取提供參考,以避免不合適的安裝方案所造成的損失,并將該方法類推到其他各類新能源發(fā)電系統(tǒng)的綠色效益評估上去。

1 動態(tài)LCA理論

從1969年可口可樂公司對自身飲料的各類容器展開評價起,當(dāng)前LCA已成為企業(yè)進行綠色生產(chǎn)制造、政府?dāng)M定環(huán)境相關(guān)政策的重要理論依據(jù)[6]。然而過去的LCA理論及方法多屬靜態(tài)范疇,在實際應(yīng)用上存在著較大的局限性[7]。主要表現(xiàn)為缺少對評價對象所在地的環(huán)境條件、經(jīng)濟發(fā)展程度、人文水平等的分析,以及用于評價分析的數(shù)據(jù)的過時性。

以小型風(fēng)力發(fā)電機為例,生命周期中各階段情景示例如表1所示。

表1 生命周期各階段情景示例Table 1 Scenario examples for each stage of the life cycle

2 動態(tài)生命周期輸入能量總量計算

2.1 研究目的及范圍

以NE-300型風(fēng)機為評價對象,分別以動態(tài)LCA方法和靜態(tài)LCA方法獲得該型風(fēng)機生命周期中輸入能量的總量。

小型風(fēng)機生命周期階段中主要在原材料獲取、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品運輸、使用、報廢(回收)等階段有能量輸入。因此,確定評價的研究范圍為風(fēng)機生產(chǎn)制造、風(fēng)機運輸、風(fēng)機使用、風(fēng)機回收(報廢)4個階段,系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary

2.2 清單分析

清單分析部分主要是分析評價對象的整個工藝流程和出廠后的各類活動等過程中的物質(zhì)和能量的流動,并以此為依據(jù)來定量分析研究評價對象的整個生命周期中資源與能量的轉(zhuǎn)換以及廢棄物的排放[8]。

清單分析部分主要包括原材料的數(shù)據(jù)、整機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運輸數(shù)據(jù)、報廢處理(回收)數(shù)據(jù)。根據(jù)Bukala等[9]的研究結(jié)果,小型風(fēng)力發(fā)電機在使用階段時能耗極小,因而將該階段的能耗忽略不計。根據(jù)廠家資料,NE-300風(fēng)機主要參數(shù)如表2所示,生產(chǎn)數(shù)據(jù)清單如表3、表4所示。

表2 NE-300的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of NE-300

表3 生產(chǎn)材料清單Table 3 List of production materials

表4 加工耗電量清單Table 4 Processing power consumption list

依照靜態(tài)LCA方法,依照該清單數(shù)據(jù)并利用評價軟件,便可計算出生產(chǎn)階段的能量輸入。然而,在動態(tài)評價中,需要考慮情境因素產(chǎn)生的影響。涂正革等[10]的研究指出,中國工業(yè)綠色發(fā)展的區(qū)域相對不平衡,在東部沿海等發(fā)達地區(qū)已進入了低排高產(chǎn)的綠色發(fā)展階段,而西部多數(shù)地區(qū)仍處于高排低產(chǎn)的紅色階段,綜合差距可達7%以上；謝榮軍[11]通過對一體化運營管理體系的分析,發(fā)現(xiàn)企業(yè)從產(chǎn)能釋放到固定及可變成本調(diào)整的快速轉(zhuǎn)型的同時,生產(chǎn)力增加47%，二氧化碳降低50%，能耗降低3%,與原有基礎(chǔ)相比,年度營運資金增加了兩倍。以該風(fēng)機為例,根據(jù)廠家反饋,為了提高生產(chǎn)效率,其對廠內(nèi)員工結(jié)構(gòu)進行了一定的調(diào)整,綜合估計效率提升為9%左右。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大,為了方便集中運輸以節(jié)約成本,相對原有運輸方式,近年的產(chǎn)品運輸方式有所改變,具體風(fēng)機運輸清單如表5所示。

表5 運輸清單Table 5 List of transport

由于該型風(fēng)機制造材料回收價值較低,且安裝地點回收不便,因此在報廢階段所有材料進行填埋處置,具體清單如表6所示。

表6 報廢處理Table 6 Scrap disposal

2.3 總輸入能量

根據(jù)清單分析結(jié)果,利用評價軟件Gabi建立plan模型,并進行balance計算,具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 風(fēng)機生命周期輸入總能量Fig.2 Life cycle input total energy

采用靜態(tài)LCA方法的該型風(fēng)機生命周期總輸入能量為3 401.1 MJ,采用動態(tài)LCA方法則為2 939.3 MJ；相比靜態(tài)LCA方法,動態(tài)LCA方法計算得出的輸入總能量較低,主要是生產(chǎn)階段考慮情景因素后,該階段輸入能量有所降低(由3 342 MJ降至2 904.7 MJ)；運輸階段輸入能量也有一定程度的下降(由38.3 MJ降至14.2 MJ),但對總體輸入能量值影響較小；報廢回收階段兩種方法采用了同種處理方式,輸入能量無變化，均為20.4 MJ。

3 年發(fā)電量計算

小型風(fēng)力發(fā)電機的年發(fā)電量記為E0,其計算表達式[12]為

(1)

(2)

(3)

P(v)主要通過實驗獲取,具體流程如下:利用軸流風(fēng)機給該風(fēng)電機提供變換的風(fēng)速,具體風(fēng)速數(shù)值通過風(fēng)速儀獲得；風(fēng)電機發(fā)出的交流電經(jīng)過控制器供給給電子負載,利用示波器采集并讀取電壓、電流數(shù)據(jù),從而計算出輸出功率。實驗平臺如圖3所示。

圖3 風(fēng)速與功率特性實驗Fig.3 Wind speed and power characteristic experiment

通過特性測量實驗獲得的具體功率特性數(shù)據(jù)如表7所示。利用MATLAB將功率特性數(shù)據(jù)進行曲線擬合,并導(dǎo)出函數(shù)表達式(取5次式),即

表7 功率特性數(shù)據(jù)Table 7 Wind speed frequency distribution

P(v)=0.012 51v5-0.508 4v4+7.467v3-46.13v2+129.2v-129.23

(4)

依照文獻[13]提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù),風(fēng)速的頻率分布如表8所示,根據(jù)表8數(shù)據(jù)結(jié)合式(3)計算出f(v)[如v<0,f(v)=0；0≤v<2,f(v)=0.040 95]。

表8 風(fēng)速頻率分布Table 8 Wind speed frequency distribution

結(jié)合f(v)和式(4)代入式(2)計算,并根據(jù)式(1)計算可得該風(fēng)機安裝于桂林某地時的年發(fā)電量E0=262.79 kW·h=938.536 MJ。

4 評估結(jié)果及改善分析

4.1 評估結(jié)果

依照償還時間指標(biāo)的定義,結(jié)合2.3節(jié)輸入能量計算結(jié)果和第3節(jié)年發(fā)電量計算結(jié)果可得采用靜態(tài)LCA方法的風(fēng)機償還時間為3.624 a,采用動態(tài)LCA方法的風(fēng)機償還時間為3.132 a,相對減少0.492 a,計算結(jié)果更符合實際。

綠色效益評估主要通過能量償還時間與風(fēng)機預(yù)期壽命進行比較,償還時間越短,風(fēng)機壽命越長,綠色效益越好。根據(jù)廠家反饋,該型風(fēng)機使用壽命為20 a。以改型風(fēng)機為評估對象時,對比償還時間可知,動態(tài)評估方法計算得到的該風(fēng)機綠色效益更好。

4.2 改善分析

參照小型風(fēng)力發(fā)電機綠色效益評估的整個過程及結(jié)果,針對風(fēng)機生命周期階段以及年發(fā)電量提出了相應(yīng)改善策略,參考這些策略進行相應(yīng)的改善后,可再次展開預(yù)安裝評估,直至評估結(jié)果符合預(yù)期或是更換新的安裝方案,從而避免不適當(dāng)安裝方案造成的資源浪費。

4.2.1 生產(chǎn)階段改善策略

玻璃鋼,即玻璃纖維復(fù)合材料,有較好的耐腐蝕性和耐熱性,且成本低廉,是制造小型風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的上佳選擇[14]。

利用Gabi軟件建立相關(guān)plan模型并經(jīng)過balance計算再特征化,可得玻璃鋼與常用材料鋁合金在獲取階段以及生產(chǎn)加工階段的環(huán)境排放以及能耗,具體數(shù)值如表9所示。

參考表9可知,相比鋁合金,以玻璃鋼為葉片制造材料時,在原材料獲取階段以及生產(chǎn)制造階段中,環(huán)境排放量及能耗均相對較小,綠色屬性優(yōu)異。結(jié)合2.3節(jié)輸入能量計算結(jié)果(生產(chǎn)階段能耗占主要部分),采用玻璃鋼代替鋁合金制造葉片,能夠較大幅度地提升綠色效益,生產(chǎn)制造階段能耗降低47.60 MJ/kg。

表9 兩種葉片材料環(huán)境排放及能耗對比Table 9 Comparison of environmental emission and energy consumption of two kinds of blade materials

4.2.2 運輸階段改善策略

參考王琮淙等[15]的研究過程,可得鐵路運輸方式和公路運輸方式的能耗及單位發(fā)電量溫室氣體排放強度(green house gas,GHG)清單,如表10所示。

表10 兩種運輸方式能耗及環(huán)境排放Table 10 Energy consumption and environmental emission of two modes of transportation

通過表10可以得出,相對柴油汽車運輸方式鐵路運輸能耗更低,能耗強度降低4.33×10-1MJ/kg,GHG相對降低4.69×10-2kg/kg。根據(jù)2.3節(jié)計算結(jié)果,運輸階段能耗相對較小,因而運輸方式的更換只能在一定程度上改善風(fēng)機的綠色效益。

4.2.3 年發(fā)電量改善策略

自然界中風(fēng)的間歇性、隨機性、波動性等特性,使得整個系統(tǒng)運行不穩(wěn)定,造成系統(tǒng)的年發(fā)電量低于預(yù)期[16],綠色效益受損。因而提升風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性,能夠提高系統(tǒng)發(fā)電性能,從而提升風(fēng)機綠色效益。

離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力發(fā)電機組和整流逆變電路構(gòu)成,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 System composition

改善對象主要是風(fēng)電系統(tǒng)中的整流逆變電路中單個逆變器串聯(lián)組成的部分。參考文獻[17]計算理論,查閱故障參數(shù)數(shù)據(jù),可得具體故障數(shù)據(jù)如表11所示,系統(tǒng)故障狀態(tài)參數(shù)如表12所示。

表11 離網(wǎng)小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中各部分故障參數(shù)Table 11 Fault parameters of various parts in off grid small vertical axis wind power generation system

表12 系統(tǒng)故障狀態(tài)參數(shù)Table 12 System fault status parameters

年統(tǒng)計時間記為T=365×24 h=8 760 h,根據(jù)表12可以計算出一系統(tǒng)部分故障停運時間。其中僅逆變器故障停運時間TCS=T15.64%=1 370.6 h,僅風(fēng)力機故障停運時間TTS=T7.44%=651.74 h；完全故障停運時間TTCS=T4%=354.4 h；總體故障停運時間=(1 370.6+651.74+354.4)=2 372.74 h。計算顯示系統(tǒng)故障率較高,故障時間約占全年統(tǒng)計時間的27.1%。

針對逆變器故障概率較高的問題,采用逆變器組代替單個的逆變器,即通過在逆變器中加入備用的逆變電路,使其變成并聯(lián)的逆變器組。改進后模型如圖5所示。

圖5 改進后模型Fig.5 Improved model

當(dāng)兩臺逆變器并聯(lián)時,理論故障概率降低至0.65%,逆變器故障時間降低為56.9 h；3臺并聯(lián)時,故障概率為0.054%,故障時間為4.7 h。相對改善前單個逆變器的系統(tǒng),逆變器故障時間有了大幅度降低,同時考慮經(jīng)濟性問題,本文的逆變器臺數(shù)n=2。將n=2代入計算,改善后的部件故障參數(shù)如表13所示,故障狀態(tài)參數(shù)如表14所示。

表13 改進后系統(tǒng)中部件故障參數(shù)Table 13 Improved component failure parameters in system

根據(jù)表14計算可得TCS=109.5 h、TTS=700.8 h、TTCS=175.2 h,所以總體停運時間為985.5 h,僅占11.25%,相對改善前大幅降低,發(fā)電質(zhì)量提升顯著。根據(jù)償還公式定義,理論上改進后的結(jié)構(gòu)對風(fēng)機綠色效益有較大提升。

表14 改進后系統(tǒng)故障狀態(tài)參數(shù)Table 14 Improved system fault state parameters

5 結(jié)論

對小型風(fēng)機的綠色效益進行了深入研究,提出一種基于償還時間指標(biāo)的預(yù)安裝評估方法。

(1)利用動態(tài)LCA理論、概率論法、償還時間指標(biāo),可以較為準(zhǔn)確地得到風(fēng)機生命周期總輸入能量(2 939.3 MJ)、年發(fā)電量(262.79 kW·h)、能量償還時間(3.132 a),進而評估風(fēng)機安裝后的綠色效益。

(2)通過評估→優(yōu)化→再評估的循環(huán)模式評估風(fēng)機綠色效益,直至綠色效益符合預(yù)期或否決預(yù)想安裝方案,可以避免不適當(dāng)?shù)陌惭b方案造成的資源浪費。

(3)評估模式以及其中的動態(tài)生命周期總輸入能量計算方法、償還時間計算方法也同樣適用于其他新能源發(fā)電產(chǎn)品的評估研究,可以被借鑒并推廣,以提高產(chǎn)品的能源收益。