基于绿色设计的海岛小型风力发电机全生命周期评价研究与绿色效益优化

摘要

风力发电机安装后绿色效益较差的问题已经成为当前限制其应用推广的重要因素。生命周期评价（Lifecycleassessment，LCA）技术能够对产品的绿色程度进行有效评估，从而反馈并指导产品的绿色设计。当前国内外学者关于风电LCA研究多以大中型风机为对象，而其与小型风机间巨大结构差异导致两者评价方法和模型的不同。同时，小型风机整个生命周期相对复杂，其中存在较多时空因素。因此，论文引入了LCA方法对小型风机开展评价研究，构建以小型风机为对象的具体评价体系，提出了“情景”理念将其引入评价工作，并基于能量补偿时间指标预先评估小型风机的绿色效益，最后参考评估流程，结合海岛环境条件，运用相应策略优化小型风机的绿色效益。具体研究内容如下：　　首先，借鉴大型风机评价体系，通过对LCA技术框架的研究，构建小型风机LCA评价体系。建立小型风机清单分析阶段模型；确定影响评价方法CML、评价软件GaBi，得到整体评价体系，为后续针对小型风机绿色效益的应用分析确立基础。　　其次，以补偿时间指标为基础，提出了一种动态多情景LCA预安装评估方法。针对以往LCA评价对时空因素考虑较少的问题，提出“情景”理念并运用于评价工作，使计算的能耗评价结果更准确；参考具体安装地点气象数据，运用概率论法，使计算的风机年发电量更贴合实际；根据指标定义得到的具体补偿时间，评估小型风机安装后绿色效益，进而避免不当安装方案造成的资源浪费。　　然后，运用评估方法以一款300W的H型风机为评估对象，评估风机安装于南海（下称“南”）与东海（下称“东”）两个海岛后的绿色效益。运用建立的评价体系，引入情景因素分析，计算出风机多情景生命周期总输入能量；通过功率特性实验得到风机功率数据，利用参照气象数据得到的风频密度函数，计算出年发电量；最后计算出能量补偿时间，无情景2.34a（南）与2.16a（东），多情景2.12a（南）与1.96a（东），该风机平均寿命为20a，结果表明：该方法可有效的预先评估小型风机安装后的绿色效益；南海与东海海岛的评估结果在引入情景因素后更准确。　　最后，参考整个预评估流程，提出了针对复杂环境下海岛小型风机绿色效益的优化策略。通过更换叶片材料、运输方式和运用可回收设计，减小风机生命周期能耗；采取故障概率减小策略（系统年停运时间相对降低15.88%），提升风机年发电量；设计折叠式叶片风机，实现大风天气正常发电而不需人为强制停机，使用寿命大幅延长，进而提升风机的绿色效益。此外，应用风光互补发电系统、应用风致振动能量收集器、设计应用一款风-灯一体化多功能路灯，可一定程度上的提升风电系统发电质量、减小资源浪费、节约生产能源和制造材料，有效提升整个发电系统的绿色效益。

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