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风电技术的瓶颈问题

发布时间：2009/6/12 阅读次数：1041 字体大小: 【小】【中】【大】

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第四章：风电技术的瓶颈问题

风电技术起源于欧洲，丹麦、荷兰、德国等国家对风电的开发和倡导已经超过20年了。美加等大国近年来对风电建设的重视，提升到饿世界风电产业的地位。随着经济的发展，中国的能源和电力供应日趋紧张，政府和产业界对风电建设的关注和重视程度已经明显的超过了水电。全球可开发风能资源的总量大约为人类能源需求总量的2倍，风能的丰富性和可再生性是最具吸引的理由。但是由于现在的风电技术的发达程度，制约着风电产业的发展，目前我国的风电产量还不到我国总发电量的1%。风电潜力无限，技术是关键……..

1． 叶轮超底转速与发电机经济转速之间的矛盾导致成本再增

对螺桨式风叶的空气动力学分析表明，叶轮直径越大，为获得有效的圆周向推力，叶片攻角必须相应地做得很小，而减小攻角将导致大风时轴向力增加，结构弯矩因而增大。另外，叶轮线速度也是受限的，增大线速度导致摩擦损耗和噪声增大。叶轮转速与线速度成正比，在一定的速度分布下与直径成减函数关系。这两种因数制约了转速的上限，大型叶轮的转速因而极底，大约在30转/分左右。这种极底的转速与发电机的经济转速相距甚远，直接连轴时，将导致发电机的体积、重量和成本远超常规。

为实现转速的合理匹配，增加机械变速装置就成为必然的选择。以丹麦VESDAS和NEGMICON、德国ENERCON、美国ENRON等公司的大型机组产品为例，他们的设计都是在塔架上装多一个多级行星齿轮变速箱，其增速比达50、60、70、甚至80以上，这导致多种不利。变速箱之笨重仅次于塔架而大于叶轮，为一重达50—100吨的部件，运输和安装起重的难度很大。仅仅起重一项，要将几十上百吨的构件吊到几十上百米的高空中安装，是一项费工、费时和危险的特别工程，其运输和吊装成本不菲，造成单位成本增加。

多级增速机构的插入损耗还降低了机组效率，使大型机组的整机效率的下限降到26%左右的低水平，造成了配套资源的严重浪费。

2． 一塔一轮一电机的机组结构是增大千瓦成本的关键问题

众所周知，发电系统的千瓦成本是与单机功率负相关的。正是这种共识成为了导致前述三大矛盾的技术观念的基础。增大单机功率是努力大体上就是出于迁就发电机成本特性的考虑，叶轮和塔架等采能构件的成本因而大幅提升，效率也降低不少。在付出这些代价以后，仍只能做到兆瓦量级，与电机制造技术所能达到的水平还有数量级的距离，并且难以逾越。

在功率较小的风电机组中，发电机成本的比例更高，因而问题更突出。总体来看，现有技术没能提供一个降低成本的系统性优化方案，以致于大型风电厂的建设成本仍停留在8000元/千瓦左右，小型风电机组的成本更高。

毫无疑问，千瓦成本高是影响风电产业发展的关键性制约。成本高的根本原因在于所一直沿用的一塔一轮一电机的机组制式，而轴向力和弯矩、低转速等问题，则更是雪上加霜的制约。可见，要想从根本上降低风电建设的成本，唯一的出路将在于探索出新的技术道路和方案。

3． 效率问题

衡量一套风力发电机组的性能，效率是举足轻重的。从风到电的转化过程中大致可分为两个阶段，风力机的采能阶段，即风到风机的轴功率转换过程，和风机到发电机出电的阶段，即风机轴功率到发电机电能的输出功率过程。螺桨式风力机的理论风

能利用系数极限值约为0.59，现有的大型风力发电机组的整机效率约40%左右，有的还在30%甚至以下。一塔一发电机一变压器的结构，多级行星齿轮变速箱的插入，不但使效率降低，而且曾大了成本投入，机组可靠性降低，且机组变得异常的庞大笨重。如何使风力发电机组的效率最大限度的提高，让每一个风电专家伤透了脑筋。

第五章：新型风力发电机系统的特点及优势

此新型风力发电系统打破了传统风力发电系统的观念，使机组的性能大大提高，从根本上突破了制约风电事业发展的瓶径问题，把风电技术提高到了一个现有风电技术难以达到的新的高度。

一：新型风力发电系统的特点

原理特征：采能发电各自独立，夜压传动，实时风机最大出力

结构特征：风机——油泵——带高速高功率马达——发电机

普通三叶型（大型变桨矩）螺桨风力机带动低速油泵，群体采能，流体传动，推动少量高速高功率马达带发电机发电

能量转换特征：（风动能—轴功—液压能）* n ——(轴功——电能)*1

高速马达与电机经济速度相匹配，传动效率高

二：新型风力发电系统的优势

控制优势：微风空载启动，中央单片机集中控制，两倍排量转换，压力，电机励磁出力闭环控制，风机速度恒定（带异步发电机则功率，压力，速度自适应）。

特性优势：风机集体采能，集中发电，变压变排量控制，提升风机出力，高速马达数控励磁或异步电机入网。

效率优势：微风2M/S启动，发电时间增30%效率增至50%左右。微风至四倍额定风速全效率发电。

成本优势：大型风电项目千瓦成本大幅度降低，优势巨大，这是风电场建设的关键性突破。

新型风力发电机组与传统高性能风力发电机组性能参数比较如下表所示：

（1000KW）

发电机参数发电机组	启动风速（M/S）	额定风速（M/S）	切出风速（M/S）	最大输出功率（KW）
传统风力发电机	3.0	12	25	1000
新型风力发电机	3.0	10	25	4000

发电机参数发电机组	效率（%）	设计寿命（年）	价格（元/kw）	年发电量（万度）
传统风力发电机	42	20	8000	200
新型风力发电机	50	30	3000	280

从上表可以看出，虽然只是几个最简单最基本的数据，但是新型风力发电机的性能远远超出了传统的风力发电机组。

第六章：新型风力发电机组开发的可行性

一：可行性

一个项目开发的可能性主要由以下几个元素组成，并由起决定成败，如图所示：

1.市场的可行性

2003年9月国家发改委已明确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机容量达到100万千瓦，2010年全国风电装机容量达到400万千瓦，2015年全国风电装机容量达到1000万千瓦，2020年全国风电装机容量达到2000万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。这就意味着在今后7年时间内，每年平均装机容量需达到近60万千瓦，2010~2015年，需达到近120万千瓦，2015~2020年，需达到近200万千瓦。可以预计，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。

　巨大的市场需求，让许多跨国风电设备制造商“闻风而动”，在刚刚过去的2004年纷纷在中国或独资或合资建立了自己的生产基地。对于国内尚未“成年”的风力发电设备厂商而言，生死存亡，危险已近在眼前。

其四：进口风力发电设备的价格过高。

从前文的介绍可以不难看出，市场对风电的需求是巨大的，市场和用户不是问题，资金和技术是关键。由于技术的先进性，使得产品变得异常简单可靠，设计、生产、加工简单易行，而且都是现有的成熟的技术。资金的保证使得场地、设备、人员配置随心所欲，其可行性是无庸质疑的。

2. 技术的可行性：

系统主要采用液压技术，现阶段的液压技术已经很成熟，系统可靠性很高，并且有试车成功的经验为坚实的技术后盾。风力发电系统的关键部件如下：

风叶：从可靠厂家购买

塔架：从指定配套厂家定做（自行设计）

油泵：从指定配套厂家定做（自行设计）

液压马达：从指定配套厂家定做（自行设计）

发电机：从可靠厂家购买或自行设计定做

偏航系统：从指定厂家定做（自行设计）

控制系统：从指定配套厂家定做（自行设计）

3. 生产的可行性：

国内外风叶生产技术已经比较成熟，600KW的风叶已经完全国产化，更大功率的风叶即将出炉。油泵，马达等部件主要是机械加工，中国的机械加工相对较发达，在要求不是特别苛刻的情况下是完全有能力自行生产。发电机等电器部件已是特别成熟，与水力火力发电机相比，风力发电机是无法相提并论的。

二：效益分析

以100kw五拖一风力发电机组为例，成本不足30万，市场售价按38万计算。

1． 生产效益

年产量1000套发电机组，投资约1000万

年毛利润8000万，纯利润约5000万

第一年投资，马上见效益，这是其他行业无法达到的。

2．使用效益

设备投资40万，其它5万，以年有效发电时间2500小时，电价0.5元，使用寿命20年，每年运行费用0.5万计算。

年发电量：2500 X 100 X =250000

产值：250000 X 0.5=12.5万

回收期：45/12.5=3.5年

利润：12万/年 X 16年=192万

这是以最保守的估算方法，其高效的性能并未在估算中体现出来，在实际操作中，其效益应增加20%以上。

总之：新型风力发电机组其卓越的性能，低廉的价格必然取代

传统的风力发电机。

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