风电发展趋势分析

发布时间：2008-12-17 来源:www.cechina.cn

　　风电技术是一项综合的高技术，涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、声学、机械工程、动力工程、电气工程、控制技术、气象学、环境科学等多个学科和多种领域。
　　两大技术难题
　　从技术角度讲，叶片的失速特性和如何应对疲劳是两大难题。机翼产生的升力大小随机翼碰撞空气的角度变化而变化，机翼的前缘和后缘的连线称为弦线，而相对气流和弦线的角度就是飞机的攻角（AoA角）。当机翼的攻角增加到一定数值时，升力不但不会增加反而会下降，这就是“失速”。风力机在风力太高时可以合理利用失速来限制功率的输出，但在具体实施上存在很大的技术难度。风电高技术的另一个表现是如何应对疲劳。风电场的年平均风速在5~11m/s，极端的瞬间风速可以达到70m/s。风力机的疲劳载荷幅度不但比其他旋转机大得多，而且频谱宽，严重影响设计寿命。

　　风机类型
　　风机的种类很多，依照形状及旋转轴的方向，可分为两种最主要的型式：水平轴式风力机和垂直轴式风力机。水平轴式的能量驱动链（包括风轮、主轴、增速箱、发电机）是水平方向，转动轴与风向平行。又可以细分为升力或阻力型，单叶、双叶、三叶或多叶型，逆风和顺风型。垂直轴式的能量驱动链是垂直方向，转动轴与风向垂直。垂直轴式有很多优势，譬如增速箱和发电机可以置于任意方向，不需要偏航系统，最大的缺陷是效率低，而且容易疲劳。
　　目前，商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机。它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统和塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起。由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对着风。

　　国际风电技术趋势
　　从国际风电设备技术发展趋势看，主要体现在容量大小、浆矩变化、驱动方式和控制技术等主要方面。
　　单机容量增大
　　单机容量越大，单位kW的造价就越低。正是基于经济效益的优势，单机容量逐步提高成为国际风电设备技术的主要趋势之一。
　　20世纪末，风电机组主流规格在欧洲是750kW，美国是500kW。进入21世纪，主流机型已经达到1?500kW。譬如丹麦新建风场的单机容量都在1000kW，德国在北海建设的风场的单机功率在5 000kW。
　　目前，世界主要风机制造商都提出要在2010年实现10 000kW的计划。据报道，美国已经研制成7 000kW的风机。
　　定桨矩向变桨矩的变化
　　以前的桨叶采用固定模式，现逐步发展为变桨矩模式。利用变桨矩调节技术，叶片的安装角可以根据风速的变化而改变，气流的攻角在风速变化时可以保持在一定的合理范围内。当风速大于额定风速时，仍可以保持稳定的输出功率。
　　变速恒频技术的采用
　　目前，市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构（4极/6 极）的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上，4极电机工作；在低风速段，发电机运行较低转速上，6极电机工作。双速运行的优点是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数（Cp）较低的点上，风能得不到充分利用。
　　近年来发展起来的变速风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通过功率变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机的定子侧通过功率变换器连接到电网，该功率变换器的容量要大于等于电机的容量。变速运行风电机组通过调节发电机转速跟随风速变化，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度地利用风能，提高风力机的运行效率。
　　驱动方式
　　从风轮到发电机的驱动方式大致分为三种：第一种是通过多级增速箱驱动双馈异步发电机，简称为双馈式。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式（或无齿轮箱式）。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术，简称为混合式。混合式设计旨在融合双馈式和直驱式机组的优点而避免其缺点。芬兰WinWind公司已开发出容量1.1MW，叶轮直径56m的混合式风电机组。
　　从国际上的趋势看，直驱式风力机由于具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越来越大的份额。
　　中国风电技术发展状况与先进水平差距明显
　　中国从20 世纪70 年代开始研制大型并网风电机组，直到1997年在国家“乘风计划”的支持下，才真正从科研走向了市场。我国风力发电机组的研发能力严重不足，基本还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段。
　　目前，国产产品大多是“定桨定速”技术的，只相当于国际上20世纪90年代中期的水平。由于多种原因，中国风电技术与国际先进水平形成了明显差距。
　　一方面，国内风电技术基础薄弱，核心技术缺乏。由于中国风电设备制造起步较晚，虽然采取了测绘仿制、合资生产或购买许可证国内组装等技术途径，但未能掌握风电机组总体设计的核心技术。
　　同时，开发中的测试、试验标准与规范极不健全。虽然中国对风电机组的测试技术作过一些研究，但不够系统。技术标准、产品认证工作滞后，而且没有风电设备的国家试验风场。此外，技术发展滞后，创新能力不足。
　　目前，中国风电产业技术还没有达到国外主流机型的技术水平，正在开发的机型已经是国外相对成熟的技术。而风力发电机组技术发展非常迅速，更大功率、更先进技术和新的设计理念不断涌现，部分技术国内刚刚掌握就已经落后于国际主流技术。
　　国际风电发展的启示
　　回顾国际风电发展历程，大致可以分为三个阶段。
　　第一阶段：1977~1987年。这个阶段的主要成就是证明风力是可以发电的，风的很多特点是可以被人类利用和控制的。其中，丹麦和美国的研究成果最多，风机容量也从几十千瓦发展到上百千瓦。
　　第二阶段：1987~1997年。风电技术逐步成熟，风电产业成规模的发展，并建立了稳定的商业模式。涌现出了近10家技术较为成熟的优秀制造企业，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变桨风机技术成熟并进入市场，与失速风机在竞争中共同发展。另外，风机的单位kW造价从1?000美元降到700美元。
　　第三阶段：1997以后。兆瓦级风机成主要趋势，海上风电逐步推广。随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变桨和双馈变速变桨逐步成为兆瓦级风机的主流技术。
　　借鉴国际风电发展的经验，除了政府扶持等外部因素外，技术创新成为行业发展的核心内生性因素。风电作为全球一体化的产业，技术创新的核心就是国际化接轨。单机大容量、变桨矩、变速恒频、直驱式是国际风电技术的主要趋势，也是中国风电产业技术发展的必然趋势。
　　国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速、单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压力，技术路线跨度较大。今后，中国大力发展大型风电机组的重点是掌握大型风力发电机组核心关键技术，包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等。整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。
　　从中国风电技术发展的现状看，以金风科技为代表的企业已经基本实现了600kW、750kW和800kW
　　风力发电机组的国际化接轨。依靠国外技术和自主创新，国内的部分企业在兆瓦级水平上也已经具有了较强的竞争力。