风力发电机部件绿色选型综合评价方法

杨 东 东, 李 涛, 杨 晨, 闫 萌, 王 明 宇

(大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

随着人类环保意识日益提高,风力发电量也逐年提高．1976年,我国第一台国产18 kW风力发电机组在浙江省泗礁岛电网试运行[1]．2006年,《中华人民共和国可再生能源法》[2]的实施使得中国风电行业进一步发展;2014年,陆上风电电价调整引发抢装潮;2019年,平价上网政策又一次引发抢装潮[3];2020年,提出了“3060”双碳目标[4],使得风电未来的发展前途一片光明．

为了研究风力发电对环境的影响,胡佩佩[5]采用CML方法进行风力发电机的环境影响评价,确定了风力发电机环境影响最大的部件;丁迅[6]对水平轴风力发电机进行环境影响评价,得出了各个部件温室气体排放比例;丁永新[7]以环境影响评价结果作为绿色度,对比了风力发电机生命周期各个过程的环境影响．不可否认生命周期评价(LCA)的作用,但是如果仅用环境因素作为评价风力发电机的唯一标准,对于企业和个人来说都是远远不够的．如何合理引入其他维度的因素,是建立综合评价模型的关键．

崔福曾[8]在建立发动机的评价指标系统时选取了环境、经济、社会3个维度的指标,采用层次分析法、灰色关联度法确定了油改气的发动机可持续性最好．郭燕春[9]在建立曲轴评价指标过程中选取了环境、经济、技术3个维度对工艺单元过程进行评价,最终以层次分析法得到了再制造过程的评价指标．周谧等[10]在分析纯电动汽车的可持续性评价指标时选取了环境、经济、社会3个维度,得出纯电动汽车仅仅在环境方面有优势．机电产品的指标评价主要基于环境、经济、社会、技术4个维度,如何合理选取机电产品的评价维度、合理选取不同维度的评价指标、解决好定性与定量的关系问题成为了风力发电机产品部件选型的关键所在．

考虑到现在对于风力发电机部件需求的不同导致风力发电机部件的种类繁多,为了实现绿色设计[11]、绿色制造[12],本文从环境、经济、技术3个维度,提出基于风力发电机全生命周期的多指标综合评价模型,研究过程考虑风力发电机部件对于全生命周期内的环境影响最小、使用成本最低、满足风力发电机部件的技术要求．

对于风力发电机组而言,由于垂直轴发电效率低,故风力发电机主轴方向一般选取水平轴;由于塔影效应的影响,下风向迎风风能利用效率低,故一般选取上风向风力发电机．对于发电机驱动方式而言,半直驱式有传动效率高、可靠性高的特点,双馈式有维护性好、成熟度高的特点,故风力发电机设计阶段难以抉择驱动方式．对于变桨系统而言,电动变桨控制简单、维护方便,液压变桨可靠性高、安全性低,故这两个变桨系统也是风力发电机设计阶段难以抉择的问题．对于机舱偏航系统而言,主动式偏航设计周期短、安全可靠,被动式偏航成本低、安全性高,因此偏航系统也是设计阶段难以确定的部分．对于主传动系统而言,双主轴轴承结构(双SRB)具有安装要求低、调心性能好的特点,单主轴轴承结构(单SRB)具有使用方便、价格低廉的特点,所以主传动系统的选择也是一个难以抉择的问题．风力发电机各个可替换部件是可以完全替换的,但不能同时选择．

1 风力发电机多维度评价指标体系的建立

可持续性评价指标体系的建立主要是指标的选取以及指标之间结构关系的确定[13],一般包括环境、经济、社会、技术4个维度．目前可以根据评价目标,从中考虑若干因素,确定需要选择的若干维度,从而确定各个维度下的单项指标．

根据生命周期可持续性评价(life cycle sustainability assessment,LCSA)方法与机电产品的特点,建立风力发电机产品可替换部件的系统边界如图1所示,建立环境、经济、技术3个维度的评价框架如图2所示．

图1 系统边界

评价指标体系是3层模型：目标层、准则层、指标层[14],图3为对部件选型进行综合评价的指标体系．

图2 3个维度可持续性评价框架

1.1 评价指标

不同的群体对于评价指标的关注点是不同的,企业聚焦于经济和技术,同时由于国家提出了碳达峰、碳中和的目标,使得企业也越来越关注风力发电机制造对环境的影响;对于社会和个人而言,更多地关注风力发电机的环境影响,因此需综合考虑3个方面的影响．

1.1.1 环境因素 生命周期评价(LCA)作为一种定量化研究能源和物质利用以及废弃物环境排放的方法,是当前研究产品在生命周期内环境影响最有效的工具[15]．

图3 评价指标体系结构模型

风力发电机的替换部件全生命周期过程可以划分为制造、运输、加工、安装使用、报废回收等过程,采用LCA的清单分析[16-17]方法对各个过程中消耗的资源和排放的污染物进行收集和汇编,而清单分析结果归结为不同的影响类型,如图4所示．

1.1.2 经济因素 经济因素是企业考虑的重点,应从全生命周期出发,考虑风力发电机的材料成本、制造成本、使用成本、维护成本以及在全生命周期过程中涉及的人力成本．利用生命周期成本(LCC)方法定量计算成本,以此作为指标层的参考指标．

1.1.3 技术因素 产品部件的技术指标是企业和社会考虑的重点,针对风力发电机4种部件的不同特点,采用不同技术指标来衡量．由于技术指标难以定量评价,大部分指标只能定性评价,如安全性、可维护性等．这类指标一般通过语言表述评价其优劣的程度,常用的五等级模糊语义法的定性指标评语集为{很好,好,一般,差,很差}．

图4 全生命周期评价过程

定性评价方法操作容易,缺点是主观性较强,当定性指标包含的因素较多时,评语准确性依赖于专家的专业知识和对产品的了解程度,因此提出定性指标的标准化模型如图5所示．

图5 定性指标标准化模型

定性指标标准化过程可以描述如下：

(1)按定性指标包含的评价标准进行细分,直到最小单元(对象元素)为止．

(2)为了减少评价结果的主观性,统一限定对象元素的描述和评判．元素从低到高可以划分为0～9共10个等级,对应9～0分[18]．建立事故类型等级表(表1)、事故次数等级表(表2)．由于篇幅限制只列举部分内容,其余等级处于相邻等级之间．

(3)将所有对象元素的得分汇总加权即可得到定性指标分值[19]．

表1 事故类型等级表

表2 事故次数等级表

以主动式偏航的安全性为例,按照图5定性指标标准化模型计算,过程如图6所示．

图6 定性指标标准化计算过程

各项技术指标对应的对象元素如图7所示．

图7 技术指标对象元素

1.2 评价指标的权重

为使风力发电机可持续性评价模型的应用更加广泛,基于层次分析法,给出风力发电机各个指标的权重．

对环境、经济、技术3个维度而言,由于技术维度是以保证产品满足基本要求为前提,否则没有实际意义,而以上部件全部投入生产,可以满足发电的需求,因此认为技术维度优先度最低．经济是企业生产的先决条件,因此,经济维度是最重要的因素．

环境维度下各个指标的重要程度可以参考权重系数[20],经济维度认为权重相同,技术维度以可以用定性指标标准化降低主观影响的指标为重要指标,其中又以安全性为最重要指标．

风力发电机可持续性评价指标体系是层级A,3个维度(环境、经济、技术维度)是层级B,各个维度的细化是层级C．构建判断矩阵见表3～5．

由于经济指标影响权重相同,因此不用构建判断矩阵．表3一致性检验的结果为0.018,权重向量为

ω=(0.36 0.52 0.12)

表3 判断矩阵A- B Tab.3 Judgement matrix A-B

表4一致性检验的结果为0.027,权重向量为

ω=(0.09 0.40 0.23 0.18 0.06 0.04)

表4 判断矩阵B1- C Tab.4 Judgement matrix B1-C

表5一致性检验的结果为0.055,权重向量为

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)

一致性检验结果均小于0.1,满足要求．

表5 判断矩阵B3- C Tab.5 Judgement matrix B3-C

1.3 可持续性综合评价模型

为了解决指标层到准则层再到目标层的评价问题,层次分析法面对由方案层+因素层+目标层递阶层次结构决策分析问题,给出了一套处理方法．主成分分析法把原来相关的指标变量经过一系列线性组合转化成少数不相关的新变量,并在各不相关前提下尽可能多地反映原来变量的信息．目前,学者认为技术、经济、社会的发展以及环境的危害程度,一般说来都会经历缓变、快速变化和趋于稳定这样一个发展进程,其规律可采用S型生长曲线指数公式来近似描述．因此,技术、经济、环境各分类单项指标的可持续性指数评价模型均可表示为[21]

(1)

式中：a和b为待优化的参数;xi为指标i的值．显然,Pj满足0≤Pj≤1,j=1,2,3,分别为技术、经济、环境指数．

技术、经济、环境等维度指标相互影响和制约,可持续发展和评价的核心是各个维度相互平衡,可以通过建立函数来描述可持续协调发展的程度．规范化后的技术类、经济类、环境类因素指数值越大,发展水平越高;3个维度可持续性指数合成为综合指数时,可持续协调发展综合评价模型可描述为

(2)

式中：h1和h2为尚未确定的参数;P1、P2、P3分别为技术、经济、环境三方面的分类可持续性指数．由式(1)知,P的取值范围为0≤P≤h1．而针对公式求解的方法众多,考虑收敛速度足够快,实现简单,选择蚁群算法求解．求解流程如图8所示．

由于指标分为效益性指标和成本性指标,成本性指标越小越好,为了适应模型的求解,引入极差变换[22],即

(3)

式中：r为变换后的值,i为指标序号,maxxi为评价等级最差的值即数值最高的值,minxi为评价等级最好的值即数值最低的值．4种可替换部件的3种环境评价等级对应的值见表6．4种可替换部件的3种经济评价等级对应的值见表7．

图8 蚁群算法求解流程

表6 可替换部件环境等级表

(1)构建各类模型优化的目标函数

将可持续性评价指标按照技术、经济、环境分为三大类,各类模型优化的目标函数均构造为

(4)

式中：n为各类指标的数目;h为评价等级标准的数目;Pki为当a、b取得一组数值后的可持续性指数值;Pk0为k级标准目标值．Pk0可按照“等差分级,等比赋值”原则得出[23]．计算方法是将[0.01,0.99]分为9个等级,每相邻两级之间比为(0.99/0.01)1/9=1.666 2,而当l=4,6,8时,由式Pk0=0.01×1.666 2l计算得到相应的三级标准目标值,分别为P10=0.077,P20=0.214,P30=0.594．

(2)优化参数并求解指标的可持续性指数

分别将表6、7处理后的各类指标的分级标准值代入式(1),在满足式(4)的条件下,用蚁群算法优化式(1)中的决策变量a和b．设a和b的初始范围为a∈[0,250],b∈[0,5],优化过程中运行参数设置如下：蚂蚁数量为20,信息素的相对重要程度为1,距离信息的相对重要程度为1,信息保留程度为0.7,常数为1,邻域搜索半径为0.1,交叉概率为0.8,变异概率为0.1,当搜索次数为200时,停止运行．

表7 可替换部件经济等级表

2 风力发电机可选部件的实例研究

利用面向全生命周期的多指标评价方法和模型,对风力发电机4种可选部件进行分析评价,为风力发电机的最终效益最大化选型提供参考．

2.1 界定目标和范围

由于风力发电机发电机组、叶片数量、风向机的替代部件难以满足使用过程的需要,或者与可替换部件相比有明显劣势,故只考虑风力发电机驱动部件、变桨部件、偏航部件、主传动部件的选型．以环境指标、经济指标、技术指标衡量,以全生命周期作为评价范围,以2.5 MW风力发电机为评价单元．

2.2 数据收集和处理

根据企业提供的物料清单(BOM)数据整理得到4种可替换部件的原材料清单数据．分别收集和计算4种可替换部件物质清单,根据物质清单数据将其转化为不同的影响类型．为了计算加工过程能耗的影响,采用较为成熟的切削比能[24]方法．切削比能是指去除单位体积材料所需要的切削能量,能够反映切削能耗与材料去除率之间的映射关系以及机床能效[25]．部分金属切削比能见表8,查询切削比能表,根据粗、精加工去除的体积,可以计算加工过程中消耗的能量．

以变桨部件为例,标准化后的两个可替换变桨部件环境影响见表9．

表8 部分金属切削比能

表9 变桨部件环境影响

由表9可知,液压变桨环境因素指标值明显大于电动变桨,全球变暖是环境影响中占比最大的部分,其次是初次能源消耗,而其他环境评价影响因素很小．

标准化后的两个可替换变桨部件经济影响见表10．由表10可知,液压变桨和电动变桨成本相当,而且大部分费用都用于购买零件和更换损坏零件．

环境指标以LCA评价结果衡量;技术指标主要根据各个部件运行过程的性能和特点进行评分;经济指标以成本衡量．以变桨部件为例,规范化后的变桨部件指标体系见表11．

表11 变桨部件指标体系

2.3 可持续性评价及结果

变桨部件技术、环境、经济各类单项可持续性指数公式分别为

(5)

(6)

(7)

单项指标的优化值均满足要求,分别将各类指标的各分级标准值xki和两种部件的指标值代入式(5)～(7),求得各类分级标准和两种部件的可持续性指数P(B1)、P(B2)、P(B3),见表12．

表12 变桨部件可持续性指数和协调发展综合指数

构建各类可持续性模型优化目标函数为

(8)

设定P的3级标准目标值分别为P10=0.077,P20=0.214,P30=0.594．将表12中各类可持续性指数代入式(2)．用蚁群算法优化式(2)中的参数h1和h2时,运行参数设置与上述相同,得出技术、环境、经济可持续协调发展综合指数公式为

(9)

同理,分别求得其他可替换部件各类分级标准和两种部件的可持续性指数,计算分级标准和部件的可持续协调发展综合指数P,由表13可知双馈式驱动、被动式偏航系统、电动变桨和单SRB主传动系统可持续性最好,初步设计可以考虑采用这4个部件的组合．

表13 各部件综合评价结果汇总

3 结 语

本文在风力发电机全生命周期评价的基础上,进一步建立了面向风力发电机全生命周期的,包括环境、经济和技术3个维度的多指标评价体系和模型．通过蚁群算法求解评价模型的最优参数,以此求解综合效益指标最高的风力发电机部件,最终确定双馈式驱动、被动式偏航系统、电动变桨和单SRB主传动系统组成的风力发电机可持续性最好．

风力发电机部件制造阶段加工方式数据的缺失和估算导致制造阶段数据不准确,一定程度上影响环境的评价结果;技术指标定性分析的结果在一定程度上减少了主观评价的影响,但是技术指标的评价结果还是受限于评价对象的主观因素．随着风力发电机项目的展开、风电行业标准的立项,风力发电机技术指标的评价结果也会越来越准确．未来,如何选取技术指标,如何在指标数据缺失、数据评价结果不准确的情况下完成指标评价,将成为风力发电机指标评价研究中亟待完善的重要问题．