新型儲能風電機促進風電產(chǎn)業(yè)大發(fā)展

新型儲能風電機促進風電產(chǎn)業(yè)大發(fā)展內容簡介必須認清歐美風電技術是以海洋性氣候發(fā)展起來的高風速風電機，存在發(fā)電效率低、故障率高、并網(wǎng)穩(wěn)定性差等問題，在陸地大量使用“水土不服”問題越來越嚴重。并且我國“風電三峽”建設面臨嚴峻的并網(wǎng)難題。已嚴重影響到風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須采用新技術才能保證我國風電產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。關鍵詞新風電技術流體傳動儲能技術風電三峽大發(fā)展縱觀國際形勢，世界經(jīng)濟和政治的目標正在以能源發(fā)展為中心發(fā)生著重大而深刻的變化，新一輪的經(jīng)濟發(fā)展和技術變革將以新能源建設展開，大力發(fā)展低碳經(jīng)濟是世界潮流。審視國內現(xiàn)實，現(xiàn)狀仍很嚴峻，中國能源煤炭比重大，水電、核電、新能源所占比重小，石油、天然氣短缺。中國是世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費的比重為70％左右，比國際水平的27％高40多個百分點。總的來說，要實現(xiàn)中國到2020年單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，非化石能源占一次能源消費的比重達到15％左右的目標，任務非常繁重。大力發(fā)展清潔新能源是保持我國經(jīng)濟健康快速發(fā)展的有力保證。風能是最具有開發(fā)價值的新能源，風能是分布最廣，離我們最近，取用最方便的無污染的清潔能源，用好風電對減少碳排放，改善環(huán)境意義重大。風能也是儲量巨大的新能源，風能取之不盡，用之不竭，并具有相對最低的開發(fā)成本，所以風電的發(fā)展應該作為新能源發(fā)展的重點。中國氣象局日前公布我國首次風能資源詳查和評價取得的進展和階段性成果：我國陸上離地面50米高度達到3級以上風能資源的潛在開發(fā)量約23.8億千瓦；我國5—25米水深線以內近海區(qū)域、海平面以上50米高度可裝機容量約2億千瓦。我國陸上風能資源主要集中在內蒙古的蒙東和蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海等7個千萬千瓦級風電基地。僅這些地區(qū)的陸上50米高度3級以上風能資源的潛在開發(fā)量就達18.5億千瓦。面對如此巨大的風能資源，面對我國嚴峻的節(jié)能減排形勢，為什么我國80多家風電設備生產(chǎn)企業(yè)大部分產(chǎn)能閑置？為什么會出現(xiàn)嚴重產(chǎn)能過剩？具統(tǒng)計至2010年我國風電裝機容量達到4000萬千瓦以上，但風電的發(fā)電量還很小，裝機容量占可開發(fā)量就更少，為什么風電工程會淪落為“形象工程”？風電被稱為“垃圾電源”？為什么風電的開發(fā)與需求產(chǎn)生如此大的反差？這些矛盾和問題的出現(xiàn)已嚴重影響到風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國陸地有多風地區(qū)，但都較偏遠，目前我國大規(guī)模風電場的建設受到并網(wǎng)瓶頸的制約，風電機的推廣又受到發(fā)電效率低，投資成本大，維護成本高的制約。我國風電產(chǎn)業(yè)面臨嚴峻的發(fā)展難題。要破解難題就必須對造成難題的原因有一個清醒的認識，歐美的風電技術并不符合中國國情。中國有句名言“不破不立”，首先我們對歐美的風電技術要有一個正確認識，不要被歐美的風電技術所束縛，貪大求洋，不是風電技術的發(fā)展方向。錢老十分關心風能產(chǎn)業(yè)，他早就指出“搞風力發(fā)電不能‘學究’式。要造出實用的機器，還得是一位工程師，不能只是一位科學家，工程設計的創(chuàng)新就在于搞出結構簡單可靠，造價低的機器，這里只注意空氣動力問題是不夠的。要開發(fā)就不只是研制，從技術上講，產(chǎn)品要質優(yōu)價廉才行，不然是站不住的?！卞X老對風電產(chǎn)業(yè)早就寄予厚望，他的思想至今讓人受益匪淺。風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在于技術創(chuàng)新，“站在山頂，才能一覽眾山小”，“走在前面，才能發(fā)現(xiàn)更大寶藏”，希望我國的風電企業(yè)和研發(fā)部門以新的高度、新的技術來發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)，我們離不開拐杖，就無法學會奔跑，我們要樹立信心，大力發(fā)展自有技術，開發(fā)微風高效、質優(yōu)價廉的風電機，讓大型風電設備得到推廣普及，只有這樣才能讓我國的風電產(chǎn)業(yè)大發(fā)展，才能使風電成為最重要的新能源，我們的技術也將引領世界風電技術新潮流，并在風能技術的開發(fā)上領跑世界風電產(chǎn)業(yè)。這個目標需要我國廣大工程技術人員和研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的共同努力。業(yè)內專家認為，5年來，我國已經(jīng)解決了風電“從無到有”的問題；未來5年，大力解決“從有到好”的問題將是產(chǎn)業(yè)能否健康持續(xù)發(fā)展的關鍵。我們需要大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)，更需要重視存在的問題，積累的問題越多，受到的損失就越大。我國風電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過二三年的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達到世界第一，裝機容量也達到世界第一。我們在短時間內走完了其他國家二、三十年的發(fā)展歷程，發(fā)展之快令世界驚嘆。我國風電技術從引進就直接過渡到大規(guī)模生產(chǎn)，在大規(guī)模風電場建設中，現(xiàn)有風電技術與我國國情的不適應越來越突出。目前我國大量引進的是歐洲的風電技術，是以海洋性氣候發(fā)展起來的高風速風電機，歐洲的風電技術發(fā)展了幾十年，發(fā)電效率低、并網(wǎng)穩(wěn)定性差、故障率高的問題始終沒有解決。在我國陸地使用問題更加突出，首先造成“裝機容量大而發(fā)電量低”現(xiàn)象發(fā)生。其次是并網(wǎng)穩(wěn)定性差對我國大規(guī)模風電場建設形成瓶頸，存在“風小發(fā)不出電，風大又并不了網(wǎng)”的現(xiàn)象，風大風電機會變的不穩(wěn)定，容易形成沖擊電流，造成并網(wǎng)困難，大規(guī)模風電機并網(wǎng)至今仍是世界難題。還有故障率高，齒輪箱問題、軸承問題、控制系統(tǒng)問題造成高額維護費用。這些問題國外也大量存在，甚至有風電場全部風電機拆回返修的情況，還有大型風電設備制造商因為質量問題而破產(chǎn)倒閉的例子。這些問題的大量存在，應當引起我們的反思。現(xiàn)有風電機的問題與葉片的高風載和控制系統(tǒng)的滯后性有很大關系?，F(xiàn)有葉片是根據(jù)空氣動力學原理設計制造，MW級風電機葉片非常巨大，強剛性能要求很高，造價高昂。由于葉片的長度很長，沿徑向圓周速度不同，在不同的葉片截面上就有不同的來流相對速度，有不同的進口攻角，作用于葉片上的力就會不同，所以葉片沿長度做成扭曲的，具有較好的空氣動力性能。但風速低，肯定葉片空氣動力性能弱，微風發(fā)電性能低，就像飛機速度低沒有升力一樣；風速高，葉片的空氣動力性能會越來越強，會變的難以控制，容易形成沖擊電流，對并網(wǎng)穩(wěn)定性造成嚴重影響，大的風載還會對風電機造成破壞。通過簡單的量化計算就可知道它的危害程度，我們以1.5MW風電機為例進行說明，設計風速為13m/s，產(chǎn)生的能量為1.5MW，可轉換為152958kgf·m/s，其能量核算在葉片上的風載可達百噸。若12級臺風的平均風速為34m/s，而風的能量與風速的關系是三次方的關系，那么在臺風狀態(tài)下葉片產(chǎn)生的風載將達千噸以上，這個數(shù)值是相當驚人的。我們知道風電機的控制系統(tǒng)有卸載功能，但任何控制系統(tǒng)都存在滯后性，不可能對葉片及時完全卸載，這樣大的風載形成的沖擊力是任何機械裝置都無法承受的，我們設計制造的變速裝置很大，強度也非常高，但仍不能避免這種沖擊力對變速裝置的損壞。為了避免變速裝置的損壞，風電機又向直驅方向發(fā)展，直驅方式省掉了變速裝置，但造成發(fā)電機轉子轉速降低，我們知道發(fā)電機的發(fā)電效率是由線圈切割磁力線的速度決定的，發(fā)電機轉子轉速的降低，也就意味著發(fā)電效率的降低，人們又一次以犧牲發(fā)電效率為代價來解決葉片設計不合理所造成的后果。這種治標不治本的方式肯定是達不到效果的，這樣做只是改變了故障發(fā)生的部位，并不能避免強風載帶來的破壞。強風載也是造成沿海風電機不穩(wěn)定、安全性無法保障的最根本原因。也是造成沿海風電機被臺風損毀的主要原因。葉片強風載還會造成風電機強烈振動，這對風電機的破壞也是很強的，往往造成疲勞損壞和高故障率?？刂葡到y(tǒng)的滯后性也是造成不穩(wěn)定和破壞性的主要因素，現(xiàn)有風電機的控制裝置主要有偏航裝置和變漿矩裝置，我們知道自然界的風向和風速都是隨時隨機變化的，我們的調節(jié)裝置雖然可以根據(jù)風向和風速調整，但在速度上始終是滯后的，并不能完全滿足風電機平穩(wěn)發(fā)電的需要。比如在自然界中風向呈90°變化是經(jīng)常發(fā)生的，偏航裝置和變漿矩裝置的響應速度若是1°/秒，90°就需要90秒的調整時間，在這么長的調整過程中，風輪葉片所受的風力角是完全不同的，也就是葉片所受的風力是變化的，必然造成風輪轉速的不穩(wěn)定，從而影響到風電機輸出功率的穩(wěn)定，嚴重時就會造成風電機解網(wǎng)，造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。這種調節(jié)的滯后性在強風暴的氣候條件下，往往會造成嚴重的后果，在高風速情況下葉片處于順漿位置，若風向發(fā)生90°變化，就會使葉片完全處于大面積受風的狀態(tài)，使葉片受力突然增大，葉片受到的強大風載就會通過傳動軸對變速裝置造成巨大的沖擊，巨大的風載也會對偏航裝置造成沖擊，造成變速裝置和偏航裝置的損壞，葉片也有可能被折損壞。所以控制系統(tǒng)的滯后性將影響控制效果，風電機龐大，控制過程就成了問題發(fā)生過程。葉片的高風載特性和控制系統(tǒng)滯后性給風電產(chǎn)業(yè)帶來巨大的損失。國外有幾十年生產(chǎn)經(jīng)驗，很有實力的公司，都在風電機產(chǎn)品上出現(xiàn)過這樣那樣的問題。丹麥20年前有20多家制造商，最后只剩一家半了，一家是維斯塔斯，半家是西門子。世界最大的風力發(fā)電機組制造商NEGMicon就是因為齒輪箱問題，他為所生產(chǎn)的風力發(fā)電機組都換了一次齒輪箱，這家世界最大的風力發(fā)電機制造商破產(chǎn)了，這在其它產(chǎn)業(yè)是不可能發(fā)生的。歐洲有多個風電場的風電機，由于質量問題而全面召回。2003年13號臺風“杜鵑”，2006年1號臺風“珍珠”和8號臺風“桑美”分別造成了廣東汕尾紅海灣風電場，南澳風電場和浙江蒼南鶴頂山風電場的風機嚴重損毀。齒輪箱問題、軸承問題、葉片問題、控制系統(tǒng)問題可以說是層出不窮。如此多的風電企業(yè)發(fā)生質量事故，并且質量事故都是相似的，很顯然不是企業(yè)生產(chǎn)問題，而是技術設計問題。為了解決并網(wǎng)難題，現(xiàn)在我國已加緊智能電網(wǎng)的建設，智能電網(wǎng)是被動調峰，就好比將河加寬，江河相連，但畢竟我們處于河道的末端，當風電的占比很大時，就相當于河道發(fā)洪水，河道很難滿足泄洪疏導的作用。我們通過簡單的量化計算來說明這個問題，一個千萬千瓦級風電場會有5000臺左右的風電機組，如此巨大的風電場將延綿數(shù)百公里，我們知道風速的大小和方向會隨時在變化，風是有波動性的，間隔時間較長的稱為陣風，我們根據(jù)浪涌原理來計算風電場產(chǎn)生沖擊電流的大小，浪涌原理就是一排浪產(chǎn)生的能量，不會因為波谷的存在而抵消，會一直向前傳輸，我們設定風電場中風電機的排列是均勻的，設定在陣風的作用下，有100臺風電機受到風速變化的影響，我們選取2.5MW風電機數(shù)據(jù)進行計算，風電機的牌子是德國Nordex公司N80，我們取較低數(shù)據(jù)，當風速5m/s，功率是120kw，當風速6m/s，功率是248kw。當風速變化為1m/s時，功率的變化是128kw，如果按100臺風電機計算，功率變化值就達12800kw，這一萬千瓦的沖擊能量會在電路中持續(xù)一段時間，時間的長短就是這陣風移出風電場的時間，在這段時間內還有第二陣風，第三陣風……第n陣風形成沖擊電流，電路中總的沖擊電流就是n個沖擊電流之和。幾萬千瓦的沖擊能量不知道要多強大的智能電網(wǎng)才能承受？而且這個計算值已經(jīng)很小了，我們是按低風速，小的變化量進行計算的，如果是1000臺風電機功率發(fā)生變化，如果風的變化速度是2m/s，也有可能更大，因此沖擊能量達到幾十萬千瓦的幾率也是很大的。所以，實際使用中的沖擊能量將是非常驚人的，并不是靠建設一條智能電網(wǎng)就能解決的，而是一項系統(tǒng)工程。我們既要建智能電網(wǎng)，更應該改善風電機性能，首先要在風電機上增加儲能裝置，每一臺風電機都相當于一個小水庫，只要控制小水庫的流水量，就可以保證大水庫不被沖垮。所以只有增加儲能裝置才能緩沖沖擊能量，才能儲存沖擊能量，才能保證并網(wǎng)的穩(wěn)定性。美國通用電氣公司(GE)副總裁邁克爾·艾德奇2009年底在中國公開表示，現(xiàn)有風能技術在3年后就會被淘汰，下一代的風能技術，GE會顯示出更強大的優(yōu)勢。我國風電技術面臨兩個選擇：一個選擇是等待別人把我們淘汰，然后再引進技術，從頭再來！另一種選擇是站在巨人肩上，取得后發(fā)優(yōu)勢！時不我待，開拓創(chuàng)新，我們要有強烈的憂患意識，大力發(fā)展符合國情的風電技術。我們應該做的是加強理論基礎研究，根據(jù)我國陸地風速的特點，開發(fā)陸地使用的低風速風電機。大幅提高微風發(fā)電性能，有效利用陸地3~8米/秒的風速，讓風電長時間的輸出，再配置適當?shù)膬δ苎b置，克服風電的波動性和間歇性，保證風電的穩(wěn)定和持續(xù)輸出。新型流體傳動儲能風電機的研發(fā)為解決并網(wǎng)難題提供了很好的解決方案，新型流體傳動儲能風電機雖然還沒有得到正式應用，但蘊藏的競爭優(yōu)勢正在沖擊著現(xiàn)有風電技術。從流體傳動特性的要求上來講，首先流體傳動的效率比機械傳動要低，如何大幅提高流體傳動的效率是風電機成敗的關鍵！由于采用“柔性智能羽形葉片”專利技術，葉片結構非常輕盈，采用六葉片結構，受風面積大，葉片輸出扭矩大，也適合較高速度運轉。因此可以帶動液壓泵實現(xiàn)大扭矩、較高轉速的運動，大幅提高流體傳動的效率，為新型流體傳動風電機的應用鋪平了道路。新型流體傳動風電機結構更加簡單，風機頭部只有葉輪、主軸和流體泵構成，采用順風型葉片后置結構，“柔性智能葉片”風輪安裝在支架的后方，風輪可以在風力的作用下自動尋找風向，這種結構省掉了偏航裝置，沒有機械故障，也不會調控失靈，也不會給風電機施加附加力矩，調節(jié)會更加自由、更加準確?！叭嵝灾悄苋~片”可以滿足葉片的變載要求，可以實現(xiàn)低風速滿載，高風速卸載，因此省掉了變漿距裝置。結構大幅簡化，重量大幅降低，可以減少維護成本和塔架的成本。每臺風電機成本只是現(xiàn)有風電機成本的30%以下。風機省掉了偏航裝置、變漿距裝置、變速裝置和控制系統(tǒng)，只需將風能轉換為液壓能，通過管路輸送到地面上的儲能裝置。流體儲能裝置結構比較簡單，成本很低，適合大規(guī)模配置。我們只要保證流體儲能裝置的壓力穩(wěn)定，就可以保證流體馬達的轉速穩(wěn)定，就可以帶動發(fā)電機直接向電網(wǎng)輸電，并可以保證穩(wěn)定輸出?？梢允〉糇兞髌骱头€(wěn)壓裝置，特別是采用了同步勵磁發(fā)電系統(tǒng)后，可以采取690伏低壓和10千伏高壓發(fā)電機組兩種供電方式。如果采用10千伏并網(wǎng)發(fā)電，可直接對110千伏電網(wǎng)輸電，還能省去傳統(tǒng)機型的箱式變壓器，從而實現(xiàn)了大幅度降低綜合制造成本的目的。在這里本人先簡單設想一個并網(wǎng)方略，進一步說明《新型流體傳動儲能風電機》對解決大規(guī)模風電機并網(wǎng)難題的原理和意義。同樣還是上面風電場的數(shù)據(jù)，我們先來制定5000臺風電機的并網(wǎng)策略，由于每臺風電機都有儲能裝置，每臺儲能裝置可以維持的運行時間我們假定為30分鐘，由于具有儲能裝置，我們可以將5000臺風電機的并網(wǎng)分期分批進行，比如每分鐘并網(wǎng)50臺，其它風電機處于儲能狀態(tài)，100分鐘就可以讓5000臺風電機完成并網(wǎng)，在并網(wǎng)期間有的風電機儲能超過限額，可以通過泄壓閥卸載。因此并網(wǎng)的風電機數(shù)量會穩(wěn)定增加，不會產(chǎn)生沖擊電流，可以保證并網(wǎng)的穩(wěn)定性。我們再來分析新型風電機對保證風電持續(xù)輸出的優(yōu)良性能，從“三北”地區(qū)風能的特點看，一般夜晚風比較大，可以達到五六級以上，白天三四級風；新型風電機三四級風就能很好發(fā)電，五級風達到滿負荷，我們設定夜晚達到滿負荷的時間是8個小時，白天每臺機組的發(fā)電量是滿負荷的1/5（相當于1000臺滿負荷），發(fā)電時間是16個小時；5000臺風電機儲能30分鐘，就是2500小時，我們再除以8小時等于312。因此白天8小時用電高峰期，我們相當于每小時并網(wǎng)1312臺風電機滿負荷發(fā)電，最重要的意義在于儲能裝置保證了風電長時間穩(wěn)定的輸出，也為其它調峰電源的使用保證了充足的反應時間，這對解決風電的間歇性意義非常重大?，F(xiàn)在由于考慮風電的變化很快，而火電的啟動需要較長時間，所以采用火電調峰的比例是1:2，一份風電就需要二份火電進行調節(jié)，建設火電廠的投資將非常巨大，如此大的投資只是起到調節(jié)作用也是不合理的，這樣大的投資也是無法實現(xiàn)的！新型液壓傳動風電機的應用可以不需要進行調峰電源的配置，風電占我國總發(fā)電量的比例還比較小，隨著我國智能電網(wǎng)的建設，全國各大電網(wǎng)將連成一片，首先不同區(qū)域的風電可以進行互補，電網(wǎng)中還有火電、水電、核電，這些都是可調節(jié)的發(fā)電源，我們可以根據(jù)風能預測系統(tǒng)，根據(jù)各風電場的發(fā)電情況和儲能量，有充足的時間調整電網(wǎng)中的發(fā)電源進行發(fā)電量的平衡。所以配置儲能裝置的新型液壓傳動風電機對解決“風電三峽”并網(wǎng)難題意義重大，不但可以大幅提高“風電三峽”的發(fā)電量，保證風電持續(xù)平穩(wěn)的輸出，還可以節(jié)省大量的調峰電源投資，將極大促進我國“風電三峽”建設的健康快速發(fā)展。我們再來分析陣風對風電機的影響，同樣有100臺風電機受到陣風的影響，每臺風電機增加的功率是128KW，這個增加的能量是儲存在液壓儲能裝置中，不會對發(fā)電機的穩(wěn)定產(chǎn)生任何影響。如果有n陣風對風電機產(chǎn)生影響，液壓儲能裝置已達到極限，我們可以通過限壓閥進行卸壓，不會對風電機產(chǎn)生過載，也不會影響發(fā)電機的平穩(wěn)發(fā)電。所以，液壓傳動風電機是解決“風電三峽”并網(wǎng)難題的唯一機型！根據(jù)國外風電的應用推廣經(jīng)驗，中小型風電機組直接并網(wǎng)發(fā)電既經(jīng)濟又可靠，只要有風、有電網(wǎng)的地方都可以并網(wǎng)，對電網(wǎng)的沖擊也小，所以歐美等國家分布式小型風電場發(fā)展很快。分布式并網(wǎng)是風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，但對風電機性能要求更高，風電機必須滿足各地風能資源貧富各異的自然現(xiàn)實，并要保證中小型風電機能夠持續(xù)穩(wěn)定供電。采用“柔性智能葉片”的新型流體傳動風電機則可以完全滿足這些條件，風電機具有優(yōu)良的發(fā)電性能，只要有風就能發(fā)電，各地二三四級風都是比較常見的，微風發(fā)電性能可以保證全年大部分時間都能輸出風電，為風電的利用創(chuàng)造了有利條件，也使風電的價值充分體現(xiàn)，為我國風電機的推廣普及創(chuàng)造了有利條件。目前，風電機制造成本高、維護成本高也是制約風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙，新型液壓傳動風電機的研發(fā)將在大幅降低風電機成本方面取得突破。液壓傳動系統(tǒng)可以實現(xiàn)能量的遠距離傳送，我們可以將多臺風機進行組合運行，提高運行的效率，降低運行的成本。例如可以將六臺風機組合在一起，每臺風機只需將風能轉換為液壓能，通過管路連接到總儲壓包和儲能裝置，儲能裝置連接液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電。由于每臺風機成本只是現(xiàn)有風電機成本的30%以下，如果每臺1.5MW，6臺就是9MW，6臺液壓風電機加上液壓馬達和發(fā)電機的成本也就相當于3MW的現(xiàn)有風電機成本。而發(fā)電量可以達到9MW，也就是風電機的成本降低了3倍，這樣大幅度的降低成本，肯定風電的發(fā)電成本會完全低于火電，這種新型液壓傳動風電機將帶動風電產(chǎn)業(yè)進行一次爆發(fā)式發(fā)展！這種新型液壓傳動風電機的競爭優(yōu)勢將勢不可擋，發(fā)展前景無限廣闊！首先各工礦企業(yè)就有巨大的需