风电投资初步预算.docx
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风电投资初步预算
风电—光热—绿色铝电解一体化
一、风力发电运行条件
1.1风力发电工作原理
风力发电机组主要包括风轮（包括叶片、轮毂）、（增速）齿轮箱、发电机、对风装置（偏航系统）、塔架等构成。
其工作原理为：
风以一定速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电。
风轮是把风动能转变为机械能重要部件，它由两只或更多只螺旋桨形叶轮组成。
风吹向浆叶产生气动力驱动风轮转动。
由于风轮转速比较低、风力大小以及方向经常变化等因素，风轮转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。
为保持风轮始终对准风向以获得最大功率，还需在风轮后面装一个类似风向标尾舵。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机构架。
它一般修建得比较高，为是获得较大和较均匀风力，又要有足够强度。
铁塔高度视地面障碍物对风速影响情况，以及风轮直径大小而定，一般在6~20米范围内。
风力发电机组运行是一项复杂操作，涉及问题很多，通常风力发电有效风速为3～25m/s，风电场选址最基本条件是要有能量丰富、风向稳定风能资源，具体风电场内风机选址还应根据风资源评估参数、风电场宏观选址和微观选址等几方面。
1.2风力发电选址条件
宏观选址条件：
（1）风资源良好，即年平均风速高，风频分布较好，风向基本稳定，湍流强度较小；
（2）温度常年在~20℃至30℃之间，超出该温度范围时间越短越好；
（3）避开灾害天气频发地区，雷电飓风出现会严重损害叶片等风机主要部件，地震多发地带不能考虑建场，结冰及沙暴频繁出现会大大降低风机使用年限，结冰可能威胁运行人员及附近居住人群生命安全；
（4）对环境影响较小，避开各级自然保护区，尽量避开鸟类迁徙路线，尽量避开森林及树木茂密地区并尽量减少破坏植被；
（5）接网可行性，附近是否有一次变电站，是否留有足够余量，尽量减少接网投资；
（6）地理位置交通方便，要充分考虑吊车和风机各大型部件运输，同时要远离居民区，考虑噪声和闪烁污染与最近居民距离不小于350米；
（7）地形及地质条件尽量选择地势较高，高差变化不大区域以保持风机长期稳定运行，应对地质条件进行初步了解，尽量选择地耐力大于250kpa；
（8）尽量选择湍流强度小于12%区域以提高风机效率和使用寿命；
微观选址条件：
宏观选址所选定区域中如何布置风力发电机组，以达到最大发电量，取得最大经济效益。
1.3风力发电机组运行前条件
（1）电源相序正确，三相电压平衡。
（2）调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行状态。
（3）风电机组及其附属设备均应有制造厂金属名牌，应有风电场自己名称和编号，并表示在明显位置。
（4）机组所有部件状态在正常范围。
（5）各项保护装置均在正确投入位置，且保护定值均与批准设定值相符。
（6）控制电源处于接通位置。
（7）控制计算机现实处于正常运行状态。
（8）手动启动前叶轮上应无结冰现象。
（9）在寒冷和超时地区，长期停用和新投运风电机组在投入运行前应检查绝缘，合格后才允许启动。
10.经维修风电机组在启动前，所有为检修而设立各种安全措施应已拆除。
1.4风力发电正常工作技术条件
（1）控制器。
为了保证在风小或者无风情况下正常发电和供电，必须利用蓄电池将风力发电电能储存；而为了降低成本，多数采用酸性蓄电池。
控制器作用就是保证风力发电机对蓄电池正常充电，防止蓄电池过充电、过放电，并控制输向用电器电压。
有些控制器还具有防止负载短路、过载和自动恢复保护功能，延长蓄电池和用电器使用寿命。
（2）逆变器。
逆变器是将风力发电机产生直流电逆变为交流电，提供给更多交流电用电器。
逆变器必须效率高、可靠性高和宽范围直流输入电压。
（3）泄荷器。
泄荷器一方面防止风速过大、输出电压过高对控制器和逆变器造成损坏，另一方面可以为风力发电系统提供一个放电通道，确保发电机组安全。
（4）蓄电池。
风能间歇性和不稳定性，产生不稳定电能通过蓄电池输出一个稳定电压，均衡向用电设备稳定供电。
（5）发电系统中防雷设施。
风力发电机、塔架风轮以及高达几十米轮毂均是安装在室外，在雷电多发区域，雷电产生巨大能量，雷击会造成叶片损坏、发电机过电压击穿、控制设备烧坏和电气设备损坏，甚至危机人身安全。
防雷设施可以避免雷击事故发生。
1.5风力发电机组整机技术条件
1.5.1正常环境（气候）条件
环境温度范围为~20~40℃；
（1）湿度应小于或等于95%；
（2）太阳辐射强度小于或等于1000W/m^2;
（3）海拔不超过1000m。
1.5.2机组输出端电网条件
（1）电压范围为额定电压（1±10%）；
（2）频率范围为额定频率（1±2%）；
（3）电压对称性，即电压不平衡值应保持在电压负序分量与正序分量比例不超过2%；
（4）每年电网停电次数应少于20次，每次最长停电时间持续时间应不超过1周。
1.5.3性能要求
（1）机组切入风速应大于2.5m/s，小于5.5m/s；切出风速应大于20m/s，小于25m/s;
（2）机组额定分苏应满足JB/T10300要求；
（3）机组最大风能利用率系数应大于0.4；
（4）机组在额定工况时，其输出功率应大于或等于额定功率。
1.5.4输出功率
在正常工作状态下，机组输出功率与理论值偏差应不超过10%；档风速大于额定风速，持续10min功率输出不应超过额定值115%，瞬时功率输出应不超过额定值135%。
二、风力发电效率
2.1风能计算
风力发电机通过风力发电技术用风动能带动风车叶轮旋转，增速机将旋转速度提高来带动发电机转子旋转发电。
叶片是集风装置，它把空气流动产生动能转化为风轮旋转机械能。
风能大小决定于风速度和空气密度。
根据Betz理论，理论上风机所获得机械功率为：
（2~1）
其中：
——风能利用系数；
——空气密度，一般取1.225kg/m^3；
——风机叶轮扫风面积，m^2；
——风速，通常按轮毂高度处风速计算，m/s；
2.2涡轮机效率
2.2.1电机效率
一个风力涡轮机不可能将风能全部利用。
一个风流涡轮机可利用功率用功率系数来表示即
，根据贝兹定律功率系数最大值是0.5926。
功率系数随着风速变化而变化。
对于大部分风力涡轮机来说，在8—10m/s风速下，最大功率系数在0.45至0.50之间。
为了将风能功率从旋转转子动能转化为电能，需要齿轮箱和发电机或者是直接驱动式涡轮机，通过发电机和一个换向器来实现。
在这个转化过程中，一些功率将会流失。
同时，独立元件效率也会随着风速不同而不同。
一台发电机效率在额定功率下运行时效率最高。
对于一个风力涡轮机来说，大部分时间内发电机是在标称负载下运行，即是当风速低于标称功率时，发电机运行在低功率下，标准电机效率会下降，具体值见表1。
发电机物理大小（额定功率）和发电机效率也存在着一定关系。
就是发电机效率会随着发电机容量增大而升高，因为大容量电机热损耗降低了。
具体值见表2。
表1发电机效率
占满载负荷比例
5
10
20
50
100
效率
0.4
0.8
0.9
0.97
1.00
表2发电机容量与效率关系
标称功率（kW）
5
50
500
1000
效率
0.84
0.89
0.94
0.95
2.2.2齿轮机效率
一台现代大功率风力机转子一般转速是20~30rpm，当发电机转速是1520rpm，为了增大转速，必须安装齿轮箱就。
风力涡轮机转速是30rpm，齿轮箱齿轮转速比就要求是30:
1520=1:
50.7，即是主轴1个齿轮必须增加到50.7个齿轮在第二个轴上，第二个轴就是连接到发电机上轴。
一般来说，一个齿轮箱（变速箱）有好几个台阶。
因为旋转速度是按照阶梯式增长，每阶损耗可以估计为1%，一台风力涡轮机一般用三阶齿轮箱，所以齿轮箱效率约为97%。
另外，电流必须要用整流器整流为直流，然后再用逆变器逆变到和电网相同频率和电压交流电。
这一系列转化效率也约为97%。
2.3整体效率
总来说，系统整体效率是风力涡轮机功率效率和齿轮箱（变速箱）效率以及发电机效率共同产物。
计算公式：
（2~2）
2.4其他定义效率方法
以下几种定义效率方法可以估算整体系统效率。
三、发电成本计算
3.1电能计算
综合利用风电、光热发电和电网供电为电解槽提供动力能源，以风电为主、光热为辅，其次为并网电力。
220台电压0.4V、电流240kA电解槽总功率计算为：
电解槽每天24小时全年运行365天计算，每年需要提供电解槽电能：
。
国家能源网2013年4月8号称，中国风电能源利用小时数同比下降30小时，目前利用利用小时数为1890小时，根据中国煤炭能源网发布信息，江苏盐城大丰地区海上风功率密度等级为4级，湍流强度处于较低水平，风电场满发利用小时约为2500小时，可利用小时为8031小时。
（一）若将发电小时数选择为2200小时，如果电解槽全年电能75%为风电能，计算按照利用小时数2200小时计算，可以计算得到需要风电机组总装机容量：
综合利用风力发电、光热发电和电网供电方式为未来电解槽发展提供电能方案，分为两种可实施方案。
一种是根据电解槽实际需要投建完全符合条件新风电场；一种是改造根据现实条件（江苏盐城县域风能），充分利用限制风力发电机组为电解槽提供电能。
3.1投资建设风电场
3.1.1投建新风电场成本
建立新风电场一次性投资成本较大。
风电场工程项目划分包括设备及安装工程、建筑工程和其他费用三部分。
设备及安装是指构成风电场固定资产全部设备及其安装工程，主要有以下内容：
（1）发电设备及安装工程，包括风电机组和塔筒（架）、机组配套电气设备、机组变压器、集电线路等设备及安装。
（2）升压变电设备及安装工程，包括主变压器系统、配电装置、无功补偿系统、所用电系统和电力电缆等设备及安装。
（3）通讯和控制设备及安装工程，包括监控系统、直流系统、通信系统、远动和计费系统等设备安装工程。
（4）其他设备及安装工程，包括采暖通风和空调系统、照明系统、消防系统、生产车辆、劳动安全与工业卫生设备及安装工程，全场接地其他等设备及安装工程。
风电场投资由设备购置费、建筑安装工程费、其他费用、基本预备费、涨价预备费和建设期利息组成。
设备购置费指生产设备、消防设备、交通工程等购置费，内容包括设备原价、运杂费、运输保险费、特大（重）件运输增加费和及采购及保管费。
表3为中型陆地用风电机组成本构成，数据来源于欧洲风能协会（EWEA）报告。
在典型情况下机组本身价格占总投资80%左右。
表3风电投资成本构成
成本要素
所占总成本份额（%）
机组设备
74~82
基础建设
1~6
电气安装
1~9
并网
2~9
咨询
1~3
陆地
1~3
财政投入
1~3
道路建设
1~3
风力发电机组由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。
根据2011年中国风电行业专业分析资料，国产风电机组4500元左右/kW，国外陆上风电机组6000元/kW左右。
风电场建设投资：
8000~10000元左右/kW。
总装机容量630.72MW风电机组，风电发电机组兆瓦级风电机组以1.5MW、2.0MW为主流，2.5MW及以上机组用于海上风电建设较多，应用单一装机容量机组需要数量如下表4。
表4
单机容量（MW）
数量（台）
机组报价（万元/台）
机组投资金额（亿元）
1.5
421
639.2~734.5
26.9~30.9
2.0
316
861.7~1130.1
27.2~35.7
目前风电厂规划不超过50MW为一期，总装机容量630.72MW为十三期，单机容量1.5MW机组33台49.5MW为一期，2.0MW机组25台50MW为一期。
考虑综合投入利用1.5MW机组九期，2.0MW机组四期，总装机容量645.5MW。
风电机组厂家和报价如表5。
表5风电机组厂家报价
机组厂家
（机型MW）
（数量台）
总价（万元）
每千瓦造价（元）
沈阳华创风能有限公司
1.5
33
21095
4261.62
峰电能源技术有限公司
1.5
33
21284.92
4299.92
华锐风电科技有限公司
1.5
33
21275.1
4298
上海电气风电设备有限公司
2.0
25
21542.18
4308.44
浙江运达风力发电工程有限公司
1.5
33
21384
4320
广东明阳风电技术有限公司
1.5
33
21384
4320
金风科技有限公司
1.5
33
21532.5
4350
国电联合动力
1.5
33
21730.5
4390
湖南湘电风能有限公司
2.0
25
22000.69
4400.14
恩德银川风电设备
1.5
33
24205.5
4890
通用电气能源沈阳有限公司
1.5
33
25977.6
5248
维斯塔斯风力发电设备
2.0
25
27000
5400
歌美飒风电天津有限公司
2.0
25
28651.79
5730.36
根据表格风电机组投资总额29.91亿元。
3.1.2其他费用
表基础建设等其他投资
投资项目
占总成本比例（%）
投资资金（亿元）
电气安装
1~6
0.4042~2.425
基础建设
1~9
0.4042~3.638
并网费用
2~9
0.8084~3.638
咨询费用
1~3
0.4042~1.213
陆地
1~3
0.3542~1.213
财政投入
1~3
0.3542~1.213
道路建设
1~3
0.3542~1.213
其他费用总投资3.234~14.553亿元。
3.1.3运行维护成本
运行维护成本包括材料费和修理费。
材料费包括日常材料和备件等，修理费主要包括进行各项维修材料费、修理费、人工费及运输费用等。
日用材料每年20~30万，机组备件每年50~120万，消耗品每年10~50万。
机组叶片、发电机及齿轮箱为机组大部件，成本较高，一般不长期保存。
一般机器零件（传感器、液压部件、电机、减速器、轴承及编码器等）、电器部件（继电器、开关、控制板、插座接头及接触器等）和易耗品（油品、刹车片及碳刷等）。
表7为机组主要部件更换维修等费用
表7
部件名称
损坏位置
更换费用（万元）
修理费用（万元）
齿轮箱
齿轮、轴承
240~300
20~60
发电机
线圈、转子、轴承
120~150
10~50
叶片
叶尖刹车，开裂等
100~150
10~50
表8为变电系统维修成本。
表8
部件名称
修理费（万元）
变电系统运行维护费
10~30
检测和预防性试验
20~40
场内线路、箱变等线路维修
30~150
技术监督费用
10~20
总计运行维修费用为650~1200万元。
3.1.4综合成本计算
综合计算风电机组投资成本为29.91亿元，基础建设工程等投资成本3.234~14.553亿元，运行维修费用650~1200万元，总投资成本为33.209~44.583亿元。
根据我国目前风力发电实际情况计算。
我国风力发电目前平均状况是寿命为20年，初始投资中20%是自有资金；80%是国内商业贷款，利率为6.55%，偿还期为10年，长期贷款期以等额本金方式还款；建设期为1年，综合折旧率6%。
计算单位度电成本为：
固定投资成本33.144~44.463亿元，
综合折旧费1.989~2.668亿元，
每年利息支出:
1.092~1.41亿元，
年运行成本:
0.065~0.12亿元，
每年总成本为:
3.146~4.198亿元。
最高单位度电成本:
419800000/630720/2200=0.3025（元/kWh）
（二）将风电风电机组有效利用时间提高到2500小时，电解槽全部电能75%为风力发电提供，可以计算得到需要风电机组容量：
全部采用2.0MW风电机组，25台为一期，分为11期，2.1MW机组23台为一期，总装机容量为598.3MW。
机组投资费用费用见表9。
表9
机组厂家
机型
台数
总价（万元）
每千瓦造价（元）
上海电气风电设备有限公司
2.0MW
25
21542.18
4308.44
北京北重汽轮电机有限责任公司
2.0MW
25
21733.6
4346.72
湖南湘电风能有限公司
2.0MW
25
22000.69
4400.14
苏司兰能源天津有限公司
2.1MW
23
25116
5200
维斯塔斯风力发电设备
2.0MW
25
27000
5400
歌美飒风电天津有限公司
2.0MW
25
28651.79
5730.36
根据表格，选择不同公司机组价格不一，机组总价格为26.21~34.03亿元。
表10基础建设等其他投资
投资项目
占总成本比例（%）
投资资金（亿元）
电气安装
1~6
0.3542~2.125
基础建设
1~9
0.3542~3.188
并网费用
2~9
0.7084~3.188
咨询费用
1~3
0.3542~1.063
陆地
1~3
0.3542~1.063
财政投入
1~3
0.3542~1.063
道路建设
1~3
0.3542~1.063
综合计算风电机组投资成本为26.21~34.03亿元，基础建设工程等投资成本2.8334~12.753亿元，运行维修费用650~1200万元，总投资成本为29.11~39.08亿元。
根据我国目前风力发电实际情况计算。
我国风力发电目前平均状况是寿命为20年，初始投资中20%是自有资金；80%是国内商业贷款，利率为6.55%，偿还期为10年，长期贷款期以等额本金方式还款；建设期为1年，综合折旧率6%。
计算单位度电成本为：
固定投资成本：
29.04~38.963亿元，
综合折旧费：
1.74~2.338亿元，
每年利息支出：
0.955~1.283亿元，
年运行成本：
0.065~0.12亿元，
总成本为：
2.76~3.741亿元。
最高单位度电成本：
374100000/598300/2500=0.2501（元/kWh）
3.1.7运行成本比较
根据国家发改委员会文件，全国风力发电标杆上网电价如表15。
表15全国风力风电标杆上网电价
资源区
标杆上网电价（元/kWh）
各资源区包括地区
类资源区
0.51
内蒙古自治区部分地区及新疆维吾尔族自治区部分地区
类资源区
0.54
河北及内蒙古部分地区
类资源区
0.58
吉林、甘肃部分地区和新疆部分地区
类资源区
0.61
除
、
、
资源区其他地区
通过计算数据可以得出，江苏盐城地区上网电价为0.61元/kWh，投资630MW机组电价0.3025元/kWh。
一方面，按照上网电价，风电场每度电可以收益0.3075元。
提高风电机组有效利用时间，单位度电价格降低至0.2501元/kWh，与上网电价差距更大，收益更多。
另一发面，目前火力发电厂上网电价0.3-0.5元/kWh，优于火力发电，江苏地区工业用电售电电价0.852-0.882元/kWh，与采用国家电网输电每年单位度电可以节省0.6元左右。
3.2利用风力发电限
中国可再生能源学会风能专业委员会发布统计数据显示，我国风电弃风限电现象越来越严重。
2011年全年，我国约有100亿千瓦时左右风电电量由于被限发而损失，按照此前国家发改委公布最低风电标杆上网电价计算，我国风电企业因限电因素损失将超过50亿元人民币。
充分利用风电资源，国家风电上网电价0.61元/kWh，工业用电0.852~0.882元/kWh，采用铝电解电解生产与风电机组结合，每度电国家电网可以收益0.22~0.24元。
3.3小结
考虑风电发电与绿色铝电解大生产相结合方案，综合投资建设风电场与利用限电弊端、提高风力发电机组利用率，两方面因素，方案均可行。
1.投资建设新风力发电厂，一次性投资成本较高，在不考虑受弃风和限电等外加俄因素影响情况下，可以正常运行。
2.充分利用闲置资源，提高风力发电机组利用率，降低亏损。
四、风电运行存在问题
4.1阶段运行故障
风电机组运行可分为3个阶段，第一阶段为安装调试阶段，第二阶段为稳定运行阶段，第三阶段为疲劳故障阶段。
在机组安装调试阶段，设备普遍运行不稳定，主要问题有：
机组在工厂组装期间出现安装问题；机组部分元件选型不合适，不适应当地环境、气候、电网等；部分备件本身质量问题引起故障，这在风电机组初期运行里占了很大一部分比重，尤其指发电机、齿轮箱、叶片等大部件引起故障。
安装调试阶段期间出现主要故障：
（1）液压油问题。
液压油选用不适合，冬季低温性能差，导致风电机组停机时，叶尖释放缓慢，停机时间过长，如遇到紧急停机，叶尖制动基本不起作用，完全是靠风电机组高速刹车系统制动，刹车片几乎是一次紧急制动后报废。
更换液压油，问题解决。
（2）避雷器选用不合理，导致避雷器动作后，风电机组总是报电网瞬间单相电压低停机，调整避雷后正常。
（3）冬季结束后，风电机组叶尖液压缸发生漏油，主要原因是液压系统密封圈质量低温性能差引起。
（4）风电机组在运行初期出现大范围过刹车盘质量问题。
由于刹车盘自身原因，导致变形，只能更换解决。
风电机组运行初期故障以备件质量原因造成故障占绝大部分。
运行人员针对这个时期故障特点，对所有部件进行认真巡视检查，及时发现、处理隐患部件，有效控制损失。
在稳定运行阶段，风电机组运行趋于稳定，风电机组故障较少，常见问题有：
传感器类故障；液压类故障；电气元件故障等；这些故障通常处理较容易。
第三个疲劳运行阶段，在这一阶段，风电机组机械疲劳性故障开始增多，维护量加大，常见问题有：
齿轮箱疲劳损坏；叶片迎风脊背出现大面积蚀洞；液压系统老化，渗漏增加；循环散热系统老化，散热性能下降；轴承磨损等。
这一部分故障是各风电厂最为关心，以及影响同后运行维护成本关键。
此外，风机在运行过程中，齿轮箱油温高，一方面可能存在润滑油选择不合理，导致齿轮箱运行过程中发热太多，需要重新设计和更换散热装置。
另一方面齿轮箱润滑系统散热装置设计不合理，导致散热不及时。
从运行和维护角度看，必须采取特殊措施，对齿轮箱润滑系统散热装置进行严密监视和维护，降低发生齿轮箱油温超标故障次数，保障风电机组发电量。
4.2机组重大问题
4.2.1叶片问题
叶片是风电机组实现风能转换成机械能主要部件，由于长期处于暴露条件下工作，很容易出现损坏。
常见叶片损坏类型包括：
表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端风造成叶片断裂等。
叶片损坏主要对叶片气动性能、主轴不平衡以及振动和噪声状态产生影响，造成风轮旋转质量不平衡，致使齿轮箱裂缝、损坏，发电机阻尼线圈磨损，偏航刹车，以及塔筒和地基裂缝。
4.2.2齿轮问题
齿轮在运行过程中会产生断齿、齿面变形和损伤等问题。
主要包括交变载荷引起疲劳断齿、点蚀，过载引起齿轮脆性断裂、维护不当引
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