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摘要：随着风电存量市场的扩大、风电技术的进步、机组服役年限的增加、弃风限电的大幅改善，在平价上网全面推进、竞价上网即将到来之际，风电产业开始进入后服务市场时代，而技改也迎来重要的机遇期。投运较早的风电场，多因技术限制，风力发电机组的发电效率达不到风电场实际风能条件下的最佳水平。这些技术限制包括但不限于叶片设计及制造水平限制了叶片长度、粗放式的控制策略降低了风机对风能的捕获效率、风机的测风设备安装于风轮之后，对风精度受到一定影响。受国家电价补贴退潮以及竞价售电政策的影响，投运较早的风电场发电利润受到了影响，风机技改实施非常必要。本文采用目前比较先进的叶片锯齿尾缘和涡轮发生器技改技术，结合公司实际风电场开展探讨和研究。
关键词：风电场；锯齿尾缘；涡轮发生器
1引言
当前，全球能源正发生深刻变革，清洁低碳的可再生能源成为全球能源发展的主要方向。风力发电不消耗矿物质能源、不污染环境、建设周期短、建设规模灵活、具有良好的社会效益和经济效益，是世界公认解决能源问题最好方式。技术不成熟导致早期规模化安装的风电机组性能不佳，部分机型故障率较高，风能资源利用率较低，且占据了相当一部分优质的风能资源。而运维与技改服务带来的高附加值，将会成为企业盈利的主导因素，进而影响竞争格局。那些尚未达到设计寿命的高故障、低效率机组是技改关注的重点。
根据国家能源局数据，截止2019年底，全国累计风电装机容量21005万千瓦。由于这些机组中的大部分由于当时技术限制都有技改需求，蕴含的技改价值也更高。从本质上来说，技改是为了让风电机组能创造更好的经济和社会效益。
目前，国内叶片技改中比较主流的有安装叶尖小翼和叶片扰流条。本文将结合国内先进的叶片锯齿尾缘和涡轮发生器技术[1]，从实例风电场出发研究新型叶片技改对发电效益的提升效果。
2 风机叶片技术改造方案
2.1叶片流体原理
风机发电的原理，是利用风力带动风电机组叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来带动发电机发电。依据目前的风机技术，大约是3m/s的风速即可启动发电。根据风机风能转化公式，
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提高风机的发电效率重点在于提高公式中的Cp、η和A，本文要讨论的技术主要通过提高风轮效率Cp提高发电量。主要技术包括安装叶片锯齿尾缘和涡轮发生器。提高风轮效率Cp，最有效的方法是提升叶片的气动性能。经ANSYS CFD建模[2]，观察风机正常运转时叶轮周围的流场，可以注意到整个流场在风轮叶尖位置产生了扰流。在叶片后缘出现了气流分离，在叶根出现涡流现象，这些都直接影响着风轮效率Cp。
2.2 涡流发生器
涡流发生器起初用于机翼。当叶片在运转过程中，涡流发生器会在叶片表面附近的流体区域产生高强度的翼尖涡，这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在叶片表面而不致分离，以达到增加叶片表面升力，进而增加叶片在相同风速下的扭矩以提高风机发电量。叶片安装涡流发生器前后表面流体流速变化如图1所示：
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图1 涡流发生器安装前后流速变化
涡流发生器主要通过改变叶片根部位置的失速效应来提升叶片的整体升力效果，机组提升量约1.5%；
2.2 锯齿尾缘
锯齿尾缘通常安装在风机叶片中部至叶尖之间，其工作原理主要通过改变叶片尾缘的气流流动状态，增大叶片压力面尾缘附近的静压区，同时减缓上下叶面气流在尾缘处的掺混强度，由此提升叶片性能，提升机组运行效能，同时减小叶片产生的气动噪声。
2.3设计方法
叶片涡流发生器和锯齿尾缘（以下简称“增效器”）的设计，与叶片设计方法类似，基本流程如下：立项-气动设计-结构设计-整机载荷对比-零部件校核。
增效器设计完成后，将增效器及叶片的blade模型[3]导入整机模型中提取载荷，将实际载荷与设计载荷进行对比，确认需校核的零部件。经所有零部件校核，确认安全后，转入生产安装阶段。
3 风机实验
挑选风机厂家的实验样机，实施安装的涡流发生器和锯齿尾缘叶片改造，通过与标定风机对比来评估发电量的提升。经过实际对比分析实验样机与标定风机，安装叶片涡流发生器和锯齿尾缘后，评估风机发电量约提升2%左右。
4 实例风电场增效评估
本文以公司旗下的大中山风电场为例分析评估技改增益效果。大中山风电场位于云南省楚雄州大姚县和姚安县交界的山脊，海拔在 2500m～2720m 之间，年平均风速9.4m/s。场址安装了20台2MW的海装双馈型发电机组，总装机容量40MW。现以风场13台102型（叶轮直径）风机为对象进行技改研究。
大中山风电场加装涡流发生器和锯齿尾缘后增效评估，以实现增效比例约2%分析各台机组增效比例及收益，基于电价0.51度/元计算增效收益。大中山风电场13台技改风机可实现新增发电量189.37万kW·h，实现发电新增收益96.58万元。
4.1项目投资和收益
针对大中山风电场，采用涡流发生器和锯齿尾缘技改，对13台风机进行叶片增效技改，叶片技改提升比例为2%左右。总投资约274.32万元（含税），风场技改完成后，年均增加上网电量189.37万kW·h，每年可增加发电收益96.58万元。项目投资回收期（所得税后）6.15年，项目投资财务内部收益率（所得税后）18.07%，资本金财务内部收益率18.07%。
4.2财务评价结论
按照云南省近年风电市场化交易电价0.51元/kw.h测算，项目资本金财务内部收益率18.07%，项目投资回收期（税后）6.15年，总投资收益率16.46%，项目资本金净利润率12.35%。本方案在财务上可行。
5结论
随着风电存量市场的扩大、风电技术的进步、机组服役年限的增加、弃风限电的大幅改善，在平价上网全面推进、竞价上网到来之际，风电产业开始进入后服务市场时代，而技改也迎来重要的机遇期。投运较早的风电场，多因技术限制，风力发电机组的发电效率达不到风电场实际风能条件下的最佳水平。本文采用目前比较先进的叶片锯齿尾缘和涡轮发生器技改技术，结合公司实际风电场开展探讨和研究。根据技改方案评估分析，涡流发生器+锯齿尾缘可以提高发电效率2%左右，项目投资在经济和财务上是可行的。
参考文献：
[1]许雅苹. 带涡发生器和尾缘锯齿的风力机翼型气动性能数值模拟研究[D].华北电力大学（北京），2019.
[2]喜超，武美萍.CFD数值模拟在风机叶片设计中的应用[J].机械设计与制造工程，2013，42（12）：15-19.
[3]周鹏展，曾竟成，肖加余，杨军.基于BLADED软件的大型风力机叶片气动分析[J].中南大学学报（自然科学版），2010，41（05）：2022-2027.