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(huán)保意識日益提高,風力發(fā)電量也逐年提高．1976年,我國第一臺國產(chǎn)18 kW風力發(fā)電機組在浙江省泗礁島電網(wǎng)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(yè)進一步發(fā)展;2014年,陸上風電電價調(diào)整引發(fā)搶裝潮;2019年,平價上網(wǎng)政策又一次引發(fā)搶裝潮[3];2020年,提出了“3060”雙碳目標[4],使得風電未來的發(fā)展前途一片光明．

為了研究風力發(fā)電對環(huán)境的影響,胡佩佩[5]采用CML方法進行風力發(fā)電機的環(huán)境影響評價,確定了風力發(fā)電機環(huán)境影響最大的部件;丁迅[6]對水平軸風力發(fā)電機進行環(huán)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(huán)境影響評價結(jié)果作為綠色度,對比了風力發(fā)電機生命周期各個過程的環(huán)境影響．不可否認生命周期評價(LCA)的作用,但是如果僅用環(huán)境因素作為評價風力發(fā)電機的唯一標準,對于企業(yè)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(guān)鍵．

崔福曾[8]在建立發(fā)動機的評價指標系統(tǒng)時選取了環(huán)境、經(jīng)濟、社會3個維度的指標,采用層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法確定了油改氣的發(fā)動機可持續(xù)性最好．郭燕春[9]在建立曲軸評價指標過程中選取了環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)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(xù)性評價指標時選取了環(huán)境、經(jīng)濟、社會3個維度,得出純電動汽車僅僅在環(huán)境方面有優(yōu)勢．機電產(chǎn)品的指標評價主要基于環(huán)境、經(jīng)濟、社會、技術(shù)4個維度,如何合理選取機電產(chǎn)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(guān)系問題成為了風力發(fā)電機產(chǎn)品部件選型的關(guān)鍵所在．

考慮到現(xiàn)在對于風力發(fā)電機部件需求的不同導致風力發(fā)電機部件的種類繁多,為了實現(xiàn)綠色設(shè)計[11]、綠色制造[12],本文從環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)3個維度,提出基于風力發(fā)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(fā)電機部件對于全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響最小、使用成本最低、滿足風力發(fā)電機部件的技術(shù)要求．

對于風力發(fā)電機組而言,由于垂直軸發(fā)電效率低,故風力發(fā)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(fā)電機．對于發(fā)電機驅(qū)動方式而言,半直驅(qū)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(fā)電機設(shè)計階段難以抉擇驅(qū)動方式．對于變槳系統(tǒng)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(tǒng)也是風力發(fā)電機設(shè)計階段難以抉擇的問題．對于機艙偏航系統(tǒng)而言,主動式偏航設(shè)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(tǒng)也是設(shè)計階段難以確定的部分．對于主傳動系統(tǒng)而言,雙主軸軸承結(jié)構(gòu)(雙SRB)具有安裝要求低、調(diào)心性能好的特點,單主軸軸承結(jié)構(gòu)(單SRB)具有使用方便、價格低廉的特點,所以主傳動系統(tǒng)的選擇也是一個難以抉擇的問題．風力發(fā)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(fā)電機多維度評價指標體系的建立

可持續(xù)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(jié)構(gòu)關(guān)系的確定[13],一般包括環(huán)境、經(jīng)濟、社會、技術(shù)4個維度．目前可以根據(jù)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(jù)生命周期可持續(xù)性評價(life cycle sustainability assessment,LCSA)方法與機電產(chǎn)品的特點,建立風力發(fā)電機產(chǎn)品可替換部件的系統(tǒng)邊界如圖1所示,建立環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)3個維度的評價框架如圖2所示．

圖1 系統(tǒng)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(xù)性評價框架

1.1 評價指標

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

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

圖3 評價指標體系結(jié)構(gòu)模型

風力發(fā)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(jié)果歸結(jié)為不同的影響類型,如圖4所示．

1.1.2 經(jīng)濟因素 經(jīng)濟因素是企業(yè)考慮的重點,應從全生命周期出發(fā),考慮風力發(fā)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(shù)因素 產(chǎn)品部件的技術(shù)指標是企業(yè)和社會考慮的重點,針對風力發(fā)電機4種部件的不同特點,采用不同技術(shù)指標來衡量．由于技術(shù)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(yōu)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(yè)知識和對產(chǎn)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(jié)果的主觀性,統(tǒng)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(shù)等級表(表2)．由于篇幅限制只列舉部分內(nèi)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(quán)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(shù)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(shù)指標對應的對象元素如圖7所示．

圖7 技術(shù)指標對象元素

1.2 評價指標的權(quán)重

為使風力發(fā)電機可持續(xù)性評價模型的應用更加廣泛,基于層次分析法,給出風力發(fā)電機各個指標的權(quán)重．

對環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)3個維度而言,由于技術(shù)維度是以保證產(chǎn)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(chǎn),可以滿足發(fā)電的需求,因此認為技術(shù)維度優(yōu)先度最低．經(jīng)濟是企業(yè)生產(chǎn)的先決條件,因此,經(jīng)濟維度是最重要的因素．

環(huán)境維度下各個指標的重要程度可以參考權(quán)重系數(shù)[20],經(jīng)濟維度認為權(quán)重相同,技術(shù)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(fā)電機可持續(xù)性評價指標體系是層級A,3個維度(環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)維度)是層級B,各個維度的細化是層級C．構(gòu)建判斷矩陣見表3～5．

由于經(jīng)濟指標影響權(quán)重相同,因此不用構(gòu)建判斷矩陣．表3一致性檢驗的結(jié)果為0.018,權(quán)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(jié)果為0.027,權(quán)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(jié)果為0.055,權(quán)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(jié)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(xù)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(jié)構(gòu)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(guān)的指標變量經(jīng)過一系列線性組合轉(zhuǎn)化成少數(shù)不相關(guān)的新變量,并在各不相關(guān)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(shù)、經(jīng)濟、社會的發(fā)展以及環(huán)境的危害程度,一般說來都會經(jīng)歷緩變、快速變化和趨于穩(wěn)定這樣一個發(fā)展進程,其規(guī)律可采用S型生長曲線指數(shù)公式來近似描述．因此,技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境各分類單項指標的可持續(xù)性指數(shù)評價模型均可表示為[21]

(1)

式中：a和b為待優(yōu)化的參數(shù);xi為指標i的值．顯然,Pj滿足0≤Pj≤1,j=1,2,3,分別為技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境指數(shù)．

技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等維度指標相互影響和制約,可持續(xù)發(fā)展和評價的核心是各個維度相互平衡,可以通過建立函數(shù)來描述可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的程度．規(guī)范化后的技術(shù)類、經(jīng)濟類、環(huán)境類因素指數(shù)值越大,發(fā)展水平越高;3個維度可持續(xù)性指數(shù)合成為綜合指數(shù)時,可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)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(shù);P1、P2、P3分別為技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境三方面的分類可持續(xù)性指數(shù)．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(xiàn)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(shù)值最高的值,minxi為評價等級最好的值即數(shù)值最低的值．4種可替換部件的3種環(huán)境評價等級對應的值見表6．4種可替換部件的3種經(jīng)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(huán)境等級表

(1)構(gòu)建各類模型優(yōu)化的目標函數(shù)

將可持續(xù)性評價指標按照技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境分為三大類,各類模型優(yōu)化的目標函數(shù)均構(gòu)造為

(4)

式中：n為各類指標的數(shù)目;h為評價等級標準的數(shù)目;Pki為當a、b取得一組數(shù)值后的可持續(xù)性指數(shù)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(yōu)化參數(shù)并求解指標的可持續(xù)性指數(shù)

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(yōu)化式(1)中的決策變量a和b．設(shè)a和b的初始范圍為a∈[0,250],b∈[0,5],優(yōu)化過程中運行參數(shù)設(shè)置如下：螞蟻數(shù)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(shù)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(shù)為200時,停止運行．

表7 可替換部件經(jīng)濟等級表

2 風力發(fā)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(fā)電機4種可選部件進行分析評價,為風力發(fā)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(fā)電機發(fā)電機組、葉片數(shù)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(fā)電機驅(qū)動部件、變槳部件、偏航部件、主傳動部件的選型．以環(huán)境指標、經(jīng)濟指標、技術(shù)指標衡量,以全生命周期作為評價范圍,以2.5 MW風力發(fā)電機為評價單元．

2.2 數(shù)據(jù)收集和處理

根據(jù)企業(yè)提供的物料清單(BOM)數(shù)據(jù)整理得到4種可替換部件的原材料清單數(shù)據(jù)．分別收集和計算4種可替換部件物質(zhì)清單,根據(jù)物質(zhì)清單數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)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(guān)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(jù)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(huán)境影響見表9．

表8 部分金屬切削比能

表9 變槳部件環(huán)境影響

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

標準化后的兩個可替換變槳部件經(jīng)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(huán)境指標以LCA評價結(jié)果衡量;技術(shù)指標主要根據(jù)各個部件運行過程的性能和特點進行評分;經(jīng)濟指標以成本衡量．以變槳部件為例,規(guī)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(xù)性評價及結(jié)果

變槳部件技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟各類單項可持續(xù)性指數(shù)公式分別為

(5)

(6)

(7)

單項指標的優(yōu)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(xù)性指數(shù)P(B1)、P(B2)、P(B3),見表12．

表12 變槳部件可持續(xù)性指數(shù)和協(xié)調(diào)發(fā)展綜合指數(shù)

構(gòu)建各類可持續(xù)性模型優(yōu)化目標函數(shù)為

(8)

設(shè)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(xù)性指數(shù)代入式(2)．用蟻群算法優(yōu)化式(2)中的參數(shù)h1和h2時,運行參數(shù)設(shè)置與上述相同,得出技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展綜合指數(shù)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(xù)性指數(shù),計算分級標準和部件的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展綜合指數(shù)P,由表13可知雙饋式驅(qū)動、被動式偏航系統(tǒng)、電動變槳和單SRB主傳動系統(tǒng)可持續(xù)性最好,初步設(shè)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(jié)果匯總

3 結(jié) 語

本文在風力發(fā)電機全生命周期評價的基礎(chǔ)上,進一步建立了面向風力發(fā)電機全生命周期的,包括環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)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(yōu)參數(shù),以此求解綜合效益指標最高的風力發(fā)電機部件,最終確定雙饋式驅(qū)動、被動式偏航系統(tǒng)、電動變槳和單SRB主傳動系統(tǒng)組成的風力發(fā)電機可持續(xù)性最好．

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