風力發電機部件綠色選型綜合評價方法

楊 東 東, 李 濤, 楊 晨, 閆 萌, 王 明 宇

(大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

隨著人類環保意識日益提高,風力發電量也逐年提高．1976年,我國第一臺國產18 kW風力發電機組在浙江省泗礁島電網試運行[1]．2006年,《中華人民共和國可再生能源法》[2]的實施使得中國風電行業進一步發展;2014年,陸上風電電價調整引發搶裝潮;2019年,平價上網政策又一次引發搶裝潮[3];2020年,提出了“3060”雙碳目標[4],使得風電未來的發展前途一片光明．

為了研究風力發電對環境的影響,胡佩佩[5]采用CML方法進行風力發電機的環境影響評價,確定了風力發電機環境影響最大的部件;丁迅[6]對水平軸風力發電機進行環境影響評價,得出了各個部件溫室氣體排放比例;丁永新[7]以環境影響評價結果作為綠色度,對比了風力發電機生命周期各個過程的環境影響．不可否認生命周期評價(LCA)的作用,但是如果僅用環境因素作為評價風力發電機的唯一標準,對于企業和個人來說都是遠遠不夠的．如何合理引入其他維度的因素,是建立綜合評價模型的關鍵．

崔福曾[8]在建立發動機的評價指標系統時選取了環境、經濟、社會3個維度的指標,采用層次分析法、灰色關聯度法確定了油改氣的發動機可持續性最好．郭燕春[9]在建立曲軸評價指標過程中選取了環境、經濟、技術3個維度對工藝單元過程進行評價,最終以層次分析法得到了再制造過程的評價指標．周謐等[10]在分析純電動汽車的可持續性評價指標時選取了環境、經濟、社會3個維度,得出純電動汽車僅僅在環境方面有優勢．機電產品的指標評價主要基于環境、經濟、社會、技術4個維度,如何合理選取機電產品的評價維度、合理選取不同維度的評價指標、解決好定性與定量的關系問題成為了風力發電機產品部件選型的關鍵所在．

考慮到現在對于風力發電機部件需求的不同導致風力發電機部件的種類繁多,為了實現綠色設計[11]、綠色制造[12],本文從環境、經濟、技術3個維度,提出基于風力發電機全生命周期的多指標綜合評價模型,研究過程考慮風力發電機部件對于全生命周期內的環境影響最小、使用成本最低、滿足風力發電機部件的技術要求．

對于風力發電機組而言,由于垂直軸發電效率低,故風力發電機主軸方向一般選取水平軸;由于塔影效應的影響,下風向迎風風能利用效率低,故一般選取上風向風力發電機．對于發電機驅動方式而言,半直驅式有傳動效率高、可靠性高的特點,雙饋式有維護性好、成熟度高的特點,故風力發電機設計階段難以抉擇驅動方式．對于變槳系統而言,電動變槳控制簡單、維護方便,液壓變槳可靠性高、安全性低,故這兩個變槳系統也是風力發電機設計階段難以抉擇的問題．對于機艙偏航系統而言,主動式偏航設計周期短、安全可靠,被動式偏航成本低、安全性高,因此偏航系統也是設計階段難以確定的部分．對于主傳動系統而言,雙主軸軸承結構(雙SRB)具有安裝要求低、調心性能好的特點,單主軸軸承結構(單SRB)具有使用方便、價格低廉的特點,所以主傳動系統的選擇也是一個難以抉擇的問題．風力發電機各個可替換部件是可以完全替換的,但不能同時選擇．

1 風力發電機多維度評價指標體系的建立

可持續性評價指標體系的建立主要是指標的選取以及指標之間結構關系的確定[13],一般包括環境、經濟、社會、技術4個維度．目前可以根據評價目標,從中考慮若干因素,確定需要選擇的若干維度,從而確定各個維度下的單項指標．

根據生命周期可持續性評價(life cycle sustainability assessment,LCSA)方法與機電產品的特點,建立風力發電機產品可替換部件的系統邊界如圖1所示,建立環境、經濟、技術3個維度的評價框架如圖2所示．

圖1 系統邊界

評價指標體系是3層模型：目標層、準則層、指標層[14],圖3為對部件選型進行綜合評價的指標體系．

圖2 3個維度可持續性評價框架

1.1 評價指標

不同的群體對于評價指標的關注點是不同的,企業聚焦于經濟和技術,同時由于國家提出了碳達峰、碳中和的目標,使得企業也越來越關注風力發電機制造對環境的影響;對于社會和個人而言,更多地關注風力發電機的環境影響,因此需綜合考慮3個方面的影響．

1.1.1 環境因素 生命周期評價(LCA)作為一種定量化研究能源和物質利用以及廢棄物環境排放的方法,是當前研究產品在生命周期內環境影響最有效的工具[15]．

圖3 評價指標體系結構模型

風力發電機的替換部件全生命周期過程可以劃分為制造、運輸、加工、安裝使用、報廢回收等過程,采用LCA的清單分析[16-17]方法對各個過程中消耗的資源和排放的污染物進行收集和匯編,而清單分析結果歸結為不同的影響類型,如圖4所示．

1.1.2 經濟因素 經濟因素是企業考慮的重點,應從全生命周期出發,考慮風力發電機的材料成本、制造成本、使用成本、維護成本以及在全生命周期過程中涉及的人力成本．利用生命周期成本(LCC)方法定量計算成本,以此作為指標層的參考指標．

1.1.3 技術因素 產品部件的技術指標是企業和社會考慮的重點,針對風力發電機4種部件的不同特點,采用不同技術指標來衡量．由于技術指標難以定量評價,大部分指標只能定性評價,如安全性、可維護性等．這類指標一般通過語言表述評價其優劣的程度,常用的五等級模糊語義法的定性指標評語集為{很好,好,一般,差,很差}．

圖4 全生命周期評價過程

定性評價方法操作容易,缺點是主觀性較強,當定性指標包含的因素較多時,評語準確性依賴于專家的專業知識和對產品的了解程度,因此提出定性指標的標準化模型如圖5所示．

圖5 定性指標標準化模型

定性指標標準化過程可以描述如下：

(1)按定性指標包含的評價標準進行細分,直到最小單元(對象元素)為止．

(2)為了減少評價結果的主觀性,統一限定對象元素的描述和評判．元素從低到高可以劃分為0～9共10個等級,對應9～0分[18]．建立事故類型等級表(表1)、事故次數等級表(表2)．由于篇幅限制只列舉部分內容,其余等級處于相鄰等級之間．

(3)將所有對象元素的得分匯總加權即可得到定性指標分值[19]．

表1 事故類型等級表

表2 事故次數等級表

以主動式偏航的安全性為例,按照圖5定性指標標準化模型計算,過程如圖6所示．

圖6 定性指標標準化計算過程

各項技術指標對應的對象元素如圖7所示．

圖7 技術指標對象元素

1.2 評價指標的權重

為使風力發電機可持續性評價模型的應用更加廣泛,基于層次分析法,給出風力發電機各個指標的權重．

對環境、經濟、技術3個維度而言,由于技術維度是以保證產品滿足基本要求為前提,否則沒有實際意義,而以上部件全部投入生產,可以滿足發電的需求,因此認為技術維度優先度最低．經濟是企業生產的先決條件,因此,經濟維度是最重要的因素．

環境維度下各個指標的重要程度可以參考權重系數[20],經濟維度認為權重相同,技術維度以可以用定性指標標準化降低主觀影響的指標為重要指標,其中又以安全性為最重要指標．

風力發電機可持續性評價指標體系是層級A,3個維度(環境、經濟、技術維度)是層級B,各個維度的細化是層級C．構建判斷矩陣見表3～5．

由于經濟指標影響權重相同,因此不用構建判斷矩陣．表3一致性檢驗的結果為0.018,權重向量為

ω=(0.36 0.52 0.12)

表3 判斷矩陣A- B Tab.3 Judgement matrix A-B

表4一致性檢驗的結果為0.027,權重向量為

ω=(0.09 0.40 0.23 0.18 0.06 0.04)

表4 判斷矩陣B1- C Tab.4 Judgement matrix B1-C

表5一致性檢驗的結果為0.055,權重向量為

ω=(0.08 0.08 0.02 0.02 0.02
0.10 0.24 0.10 0.11 0.09
0.02 0.02 0.10)

一致性檢驗結果均小于0.1,滿足要求．

表5 判斷矩陣B3- C Tab.5 Judgement matrix B3-C

1.3 可持續性綜合評價模型

為了解決指標層到準則層再到目標層的評價問題,層次分析法面對由方案層+因素層+目標層遞階層次結構決策分析問題,給出了一套處理方法．主成分分析法把原來相關的指標變量經過一系列線性組合轉化成少數不相關的新變量,并在各不相關前提下盡可能多地反映原來變量的信息．目前,學者認為技術、經濟、社會的發展以及環境的危害程度,一般說來都會經歷緩變、快速變化和趨于穩定這樣一個發展進程,其規律可采用S型生長曲線指數公式來近似描述．因此,技術、經濟、環境各分類單項指標的可持續性指數評價模型均可表示為[21]

(1)

式中：a和b為待優化的參數;xi為指標i的值．顯然,Pj滿足0≤Pj≤1,j=1,2,3,分別為技術、經濟、環境指數．

技術、經濟、環境等維度指標相互影響和制約,可持續發展和評價的核心是各個維度相互平衡,可以通過建立函數來描述可持續協調發展的程度．規范化后的技術類、經濟類、環境類因素指數值越大,發展水平越高;3個維度可持續性指數合成為綜合指數時,可持續協調發展綜合評價模型可描述為

(2)

式中：h1和h2為尚未確定的參數;P1、P2、P3分別為技術、經濟、環境三方面的分類可持續性指數．由式(1)知,P的取值范圍為0≤P≤h1．而針對公式求解的方法眾多,考慮收斂速度足夠快,實現簡單,選擇蟻群算法求解．求解流程如圖8所示．

由于指標分為效益性指標和成本性指標,成本性指標越小越好,為了適應模型的求解,引入極差變換[22],即

(3)

式中：r為變換后的值,i為指標序號,maxxi為評價等級最差的值即數值最高的值,minxi為評價等級最好的值即數值最低的值．4種可替換部件的3種環境評價等級對應的值見表6．4種可替換部件的3種經濟評價等級對應的值見表7．

圖8 蟻群算法求解流程

表6 可替換部件環境等級表

(1)構建各類模型優化的目標函數

將可持續性評價指標按照技術、經濟、環境分為三大類,各類模型優化的目標函數均構造為

(4)

式中：n為各類指標的數目;h為評價等級標準的數目;Pki為當a、b取得一組數值后的可持續性指數值;Pk0為k級標準目標值．Pk0可按照“等差分級,等比賦值”原則得出[23]．計算方法是將[0.01,0.99]分為9個等級,每相鄰兩級之間比為(0.99/0.01)1/9=1.666 2,而當l=4,6,8時,由式Pk0=0.01×1.666 2l計算得到相應的三級標準目標值,分別為P10=0.077,P20=0.214,P30=0.594．

(2)優化參數并求解指標的可持續性指數

分別將表6、7處理后的各類指標的分級標準值代入式(1),在滿足式(4)的條件下,用蟻群算法優化式(1)中的決策變量a和b．設a和b的初始范圍為a∈[0,250],b∈[0,5],優化過程中運行參數設置如下：螞蟻數量為20,信息素的相對重要程度為1,距離信息的相對重要程度為1,信息保留程度為0.7,常數為1,鄰域搜索半徑為0.1,交叉概率為0.8,變異概率為0.1,當搜索次數為200時,停止運行．

表7 可替換部件經濟等級表

2 風力發電機可選部件的實例研究

利用面向全生命周期的多指標評價方法和模型,對風力發電機4種可選部件進行分析評價,為風力發電機的最終效益最大化選型提供參考．

2.1 界定目標和范圍

由于風力發電機發電機組、葉片數量、風向機的替代部件難以滿足使用過程的需要,或者與可替換部件相比有明顯劣勢,故只考慮風力發電機驅動部件、變槳部件、偏航部件、主傳動部件的選型．以環境指標、經濟指標、技術指標衡量,以全生命周期作為評價范圍,以2.5 MW風力發電機為評價單元．

2.2 數據收集和處理

根據企業提供的物料清單(BOM)數據整理得到4種可替換部件的原材料清單數據．分別收集和計算4種可替換部件物質清單,根據物質清單數據將其轉化為不同的影響類型．為了計算加工過程能耗的影響,采用較為成熟的切削比能[24]方法．切削比能是指去除單位體積材料所需要的切削能量,能夠反映切削能耗與材料去除率之間的映射關系以及機床能效[25]．部分金屬切削比能見表8,查詢切削比能表,根據粗、精加工去除的體積,可以計算加工過程中消耗的能量．

以變槳部件為例,標準化后的兩個可替換變槳部件環境影響見表9．

表8 部分金屬切削比能

表9 變槳部件環境影響

由表9可知,液壓變槳環境因素指標值明顯大于電動變槳,全球變暖是環境影響中占比最大的部分,其次是初次能源消耗,而其他環境評價影響因素很?。?/p>

標準化后的兩個可替換變槳部件經濟影響見表10．由表10可知,液壓變槳和電動變槳成本相當,而且大部分費用都用于購買零件和更換損壞零件．

環境指標以LCA評價結果衡量;技術指標主要根據各個部件運行過程的性能和特點進行評分;經濟指標以成本衡量．以變槳部件為例,規范化后的變槳部件指標體系見表11．

表11 變槳部件指標體系

2.3 可持續性評價及結果

變槳部件技術、環境、經濟各類單項可持續性指數公式分別為

(5)

(6)

(7)

單項指標的優化值均滿足要求,分別將各類指標的各分級標準值xki和兩種部件的指標值代入式(5)～(7),求得各類分級標準和兩種部件的可持續性指數P(B1)、P(B2)、P(B3),見表12．

表12 變槳部件可持續性指數和協調發展綜合指數

構建各類可持續性模型優化目標函數為

(8)

設定P的3級標準目標值分別為P10=0.077,P20=0.214,P30=0.594．將表12中各類可持續性指數代入式(2)．用蟻群算法優化式(2)中的參數h1和h2時,運行參數設置與上述相同,得出技術、環境、經濟可持續協調發展綜合指數公式為

(9)

同理,分別求得其他可替換部件各類分級標準和兩種部件的可持續性指數,計算分級標準和部件的可持續協調發展綜合指數P,由表13可知雙饋式驅動、被動式偏航系統、電動變槳和單SRB主傳動系統可持續性最好,初步設計可以考慮采用這4個部件的組合．

表13 各部件綜合評價結果匯總

3 結 語

本文在風力發電機全生命周期評價的基礎上,進一步建立了面向風力發電機全生命周期的,包括環境、經濟和技術3個維度的多指標評價體系和模型．通過蟻群算法求解評價模型的最優參數,以此求解綜合效益指標最高的風力發電機部件,最終確定雙饋式驅動、被動式偏航系統、電動變槳和單SRB主傳動系統組成的風力發電機可持續性最好．

風力發電機部件制造階段加工方式數據的缺失和估算導致制造階段數據不準確,一定程度上影響環境的評價結果;技術指標定性分析的結果在一定程度上減少了主觀評價的影響,但是技術指標的評價結果還是受限于評價對象的主觀因素．隨著風力發電機項目的展開、風電行業標準的立項,風力發電機技術指標的評價結果也會越來越準確．未來,如何選取技術指標,如何在指標數據缺失、數據評價結果不準確的情況下完成指標評價,將成為風力發電機指標評價研究中亟待完善的重要問題．