“雙碳”目標(biāo)下，可再生能源大發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)風(fēng)電的裝機(jī)提速，但伴隨著風(fēng)電存量資產(chǎn)的逐年增長(zhǎng)，應(yīng)該如何盤活存量資產(chǎn)，推動(dòng)風(fēng)電增質(zhì)提效？“以大代小”風(fēng)電技改政策已被多次提及，并有望在全國(guó)范圍內(nèi)逐步開(kāi)展。在這一政策背景下，風(fēng)電場(chǎng)老舊機(jī)組到底適不適合增容？如何增容？增容后效益如何？在國(guó)慶節(jié)前剛剛落幕的、由世紀(jì)新能源網(wǎng)主辦的“2021第六屆東北能源與經(jīng)濟(jì)峰會(huì)”上，來(lái)自東北電力大學(xué)的張立棟副教授，為與會(huì)嘉賓分享了風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。

中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展始于2008年左右，在風(fēng)電發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電整機(jī)廠商通過(guò)技術(shù)引進(jìn)或許可制造的模式開(kāi)始規(guī)?；l(fā)展的探索，但當(dāng)時(shí)對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)還非常不足，通常是邊干、邊吸收、邊優(yōu)化。技術(shù)不成熟導(dǎo)致早期安裝的風(fēng)電機(jī)組性能不佳，部分機(jī)型故障率較高，風(fēng)能資源利用率較低。特別是有些整機(jī)商在過(guò)去行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰，留下不少“孤兒機(jī)組”。這些尚未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的高故障、低效率機(jī)組成為制約風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商盈利能力的重要限制因素。

根據(jù)發(fā)改委能源研究所測(cè)算，2021-2030年全國(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)改造退役容量將超過(guò)6000萬(wàn)千瓦。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，“十四五”期間，退役機(jī)組容量將包括 2000 年之前的 34 萬(wàn)千瓦以及“十五五”期間建設(shè)的 92 萬(wàn)千瓦。對(duì)于服役超過(guò) 15 年的機(jī)組按 1.5MW 以下全部改造、 1.5MW 改造比例 1/3 測(cè)算，“十四五”時(shí)期風(fēng)電機(jī)組改造置換需求超過(guò) 1800 萬(wàn)千瓦。

如何處理這些老舊機(jī)組？2021年8月30日，寧夏自治區(qū)發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展寧夏老舊風(fēng)電場(chǎng)“以大代小”更新試點(diǎn)的通知》（以下簡(jiǎn)稱《通知》）。這是繼國(guó)家能源局在《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知（征求意見(jiàn)稿）》中提出“啟動(dòng)老舊風(fēng)電項(xiàng)目技改升級(jí)”之后的第一份地方性試點(diǎn)文件，這一重磅消息直接將風(fēng)電技改中“以大代小”規(guī)劃落實(shí)政策層面，為運(yùn)行年限、效益指標(biāo)、設(shè)備容量、項(xiàng)目核準(zhǔn)等一系列細(xì)則提供了政策標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

《通知》表示，對(duì)單機(jī)容量在1.5兆瓦及以下、連續(xù)多年利用小時(shí)數(shù)低下、存在安全隱患的項(xiàng)目，更新及增容風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)容量達(dá)到3MW及以上，年等效利用小時(shí)數(shù)達(dá)到2000小時(shí)以上。

如果按照《通知》中的替代機(jī)組容量粗略計(jì)算，假設(shè)“十四五”期間需改造機(jī)組平均為1MW，以3MW的裝機(jī)容量進(jìn)行替換，在風(fēng)電場(chǎng)面積不變的情況下，通過(guò)風(fēng)電技改裝機(jī)容量理論上有望在原有基礎(chǔ)上增長(zhǎng)40萬(wàn)千瓦；假設(shè)“十五五”期間需改造機(jī)組平均為1.5MW，以4MW的裝機(jī)容量進(jìn)行替換，裝機(jī)容量有望增長(zhǎng)1億千瓦。裝機(jī)容量的增長(zhǎng)疊加單機(jī)利用小時(shí)數(shù)提升，有望帶來(lái)風(fēng)電運(yùn)營(yíng)效益的顯著增長(zhǎng)。

對(duì)于有望在全國(guó)鋪開(kāi)的“以大代小”政策，經(jīng)濟(jì)效益到底如何？不同地點(diǎn)、不同類型的風(fēng)機(jī)，經(jīng)濟(jì)效益又有多大差別？針對(duì)諸多疑問(wèn)，東北電力大學(xué)以風(fēng)洞試驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。

本次實(shí)驗(yàn)的目的十分明確，就是想要探究風(fēng)電場(chǎng)中不同型號(hào)、不同排布方式的風(fēng)力機(jī)在偏航條件下的風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)風(fēng)速、湍流分布情況以及設(shè)計(jì)工況下對(duì)下游風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率影響。在不同的工況下測(cè)量風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)域的氣壓分布、風(fēng)速風(fēng)向情況、下游風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，計(jì)算得到模型尾流區(qū)域內(nèi)的風(fēng)廓線、湍流強(qiáng)度及下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率。進(jìn)而研究新型風(fēng)電場(chǎng)布局與下游風(fēng)力機(jī)及整場(chǎng)發(fā)電功率的關(guān)系，尋找提高風(fēng)電場(chǎng)功率的方法。

該實(shí)驗(yàn)由以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組成：

（1）兩臺(tái)大風(fēng)力機(jī)模型直列排布尾流測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

（2）兩臺(tái)大、十二臺(tái)小風(fēng)力機(jī)模型綜合布置的尾流功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)（1）主要為了補(bǔ)充現(xiàn)階段風(fēng)力機(jī)尾流研究中缺少大尺寸偏航和槳距條件下的尾流分布的實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題，為后續(xù)研究風(fēng)電場(chǎng)增加非等高交錯(cuò)布機(jī)提高風(fēng)電場(chǎng)效率進(jìn)行對(duì)比參照。實(shí)驗(yàn)得到不同偏航角下的單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)據(jù)。同時(shí)在分析上游大風(fēng)力機(jī)模型的尾流情況后，使用下游風(fēng)力機(jī)在后部進(jìn)行測(cè)功，以研究在實(shí)際情況中上游風(fēng)力機(jī)偏航對(duì)下游風(fēng)力機(jī)的影響情況。

實(shí)驗(yàn)（2）探究下游大風(fēng)力機(jī)在風(fēng)力機(jī)陣列尾流的氣動(dòng)性能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上游大風(fēng)力機(jī)及十二臺(tái)小風(fēng)力機(jī)達(dá)到試驗(yàn)工況中指定轉(zhuǎn)速并通過(guò)更改加裝小風(fēng)力機(jī)的高度，測(cè)量下游大風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。

試驗(yàn)是在“國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室回流式邊界層風(fēng)洞”進(jìn)行的，采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

試驗(yàn)段尺寸：長(zhǎng)寬高24×4×3m；

風(fēng)速范圍：0～30m/s連續(xù)可調(diào)；

流場(chǎng)品質(zhì)：氣流性能在5m/s～30m/s范圍內(nèi)滿足或優(yōu)于GJB1179A-2012關(guān)于低速風(fēng)洞的性能指標(biāo)。可以回流式閉路運(yùn)行，也可開(kāi)路運(yùn)行，可形成厚度1.5m～2m的邊界層。

特色：尺寸大，可以在直流與回流之間切換。

試驗(yàn)針對(duì)單一風(fēng)向下20臺(tái)陣列排布的1.25MW風(fēng)力機(jī)，各風(fēng)力機(jī)在沿風(fēng)向和垂直于風(fēng)向上的間距均為240m（約等于4倍的葉輪直徑）的排布情況，研究考慮了5種替換方案并通過(guò)數(shù)值模擬得到了原始方案和替換方案在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率。

模擬結(jié)果反映，將部分1.25MW風(fēng)力機(jī)替換為5MW風(fēng)力機(jī)可提高剩余1.25MW風(fēng)力機(jī)的平均功率，且不同的替換方案對(duì)1.25MW風(fēng)力機(jī)平均功率的提升幅度不同。對(duì)于均替換掉4臺(tái)1.25MW風(fēng)力機(jī)的三項(xiàng)方案（即工況4、5、6），工況5對(duì)應(yīng)的方案在6m/s和\8m/s風(fēng)速下的總功率要高于另外兩項(xiàng)方案，而在10m/s風(fēng)速下的總功率卻低于工況4對(duì)應(yīng)的方案。這表明在實(shí)際應(yīng)用中，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速大小概率密度分布，考慮不同風(fēng)速的影響，確定最優(yōu)的方案。 

根據(jù)數(shù)值算例的模擬結(jié)果，試驗(yàn)初步得出以下結(jié)論：

（1）將小風(fēng)力機(jī)替換為大風(fēng)力機(jī)能提高風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量；

（2）將小風(fēng)力機(jī)替換為大風(fēng)力機(jī)能有效提高小風(fēng)力機(jī)的平均發(fā)電功率；

（3）受小風(fēng)力機(jī)影響，大風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（相較于沒(méi)有小風(fēng)力機(jī)的情況）也可能出現(xiàn)一定提升；

（4）替換同等數(shù)量的小風(fēng)力機(jī)，選擇不同位置的小風(fēng)力機(jī)進(jìn)行替換，風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量會(huì)有一定程度的差異。