我国大型风电技术现状与展望

我国大型风电技术现状与展望

锐源风能技术有限公司招聘,风能发电相关技术,风能绿色建筑技术分析　　本文着重综述了国外大型风电机组发展规模与设备制造技术现状， 阐述了国内 风电产业特点与技 要： 可再生能源 风力发电 风力机 综述

　　锐源风能技术有限公司招聘,风能发电相关技术,风能绿色建筑技术分析术现状， 分析了风轮叶片与传动机构设计等几个关键技术问题， 展望了未来的发展方向 。 新能源 关键词： 1 引言 随着全球社会经济的不断发展， 化石能源紧缺与环境 保护问题日益突出， 能 源 开 发 得 到 了 各 国 政 府 的 重 视 。 新 目前， 风能是最适合大 规 模 开 发 利 用 的 可 再 生 能 源 ， 电 风 不排放任何有害物质 ， 不 存 在 移 民 问 题 ， 仅 能 够 减 少 也 不 保护生 态 环 境 安 全 ， 是 改 善 电 力 能 源 结 也 温 室气体排放 、 构、 实现社会经济可持续发展的必由之路 。经过一个多世 纪的不断改进， 类在风电机组设计、 料与结构、 电 人 材 发 系 系 风 效率、 统安全与可靠性、 统控制、 电场选址等方面 积累了丰富的经验与成果，为不断降低风电成本和扩大 可经济利用的风能资源奠定了基础 。目前， 国外商业化风 电机组的 可 利 用 率 达 到 了 ９８％ ， 风 电 占 电 网 容 量 的 比 例 可 以 达 到 ２０％ ， 风 力 发 电 成 本 从 十 几 年 前 的 每 千 瓦 时 １０．９ 美 分 下 降 到 ４ 美 分 ， ２０１０ 年 可 望 降 到 每 千 瓦 时 ２．１１ 美分， 已经接近或优于 常 规 化 石 能 源 发 电 ， 为 电 力 工 业 成 中增长速度最快的电源 ［１］。 进入 ２１ 世纪，我国逐步将风电作为电力工业的重要 组成部分， 加快了规模化产业的发展 。本文综述了国内外 并网型风电技术发展 现 状 ， 析 了 大 型 风 电 设 备 制 造 、 分 风 轮叶片与传动机构设计等几个关键技术问题，展望了未 来的发展方向， 为进一步开展风电技术研究提供参考 。 2 国外风电技术现状 ２．１ 全球风电机组装机总量 １９ 世纪末， 丹麦建成了人类第一座风力发电站 。一个 世纪以来， 世界各国 研 制 了 各 种 类 型 的 风 力 发 电 设 备 ， 风 全 电 技 术 受 到 国 际 社 会 的 普 遍 重 视 。 尤 其 过 去 的 １０ 年 ， 球 风 电 市 场 高 速 发 展 ， 装 机 容 量 １０ 年 增 长 １２ 倍 ， 增 总 新 装 机 容 量 和 总 装 机 容 量 的 年 均 增 长 率 都 在 ２８％ 以 上 ， 如 表 １ 所示

　　从 全 球 风 电 装 机 的 总 体 分 布 情 况 看 ［４］， 洲 、 美 和 欧 北 亚洲仍然是世界风电发展的三大主力市场，分别占全球 累 计 风 电 装 机 总 容 量 的 ５４．６％ 、 ２２．８％ 和 ２０．２％ 。 全 球 累 计风电装机总量前十强国家，其装机总容量占全球的 ８６．２％ ， 位 居 世 界 风 电 装 机 前 ３ 位 的 美 国 、 国 和 西 班 而 德 牙的累计装机总容量占全球总量的 ５４．５％ ， 中国的累计风 电 装 机 总 容 量 在 全 球 总 量 中 的 份 额 达 到 了 １０．１％ 。 ２００８ 年， 美国列全球风电 累 计 装 机 容 量 的 第 １ 位 ， 中 国 上 升 而 为第 ４ 位。 ２．２ 风电设备制造技术 在风电装机容量快速增长同时， 风电技术也取得了长 足进步。特别是风电机组本身， ２０ 世纪 ９０ 年代的定桨 由 距、 速技术， 展到今天被广泛应用的变桨距、 速技 恒 发 变 术， 单机容量不断刷新记录 ［２］。据 ２００６ 年世界风电市场统 计报告， １９９７ 年 以 前 兆 瓦 级 风 电 机 组 的 市 场 份 额 还 不 及 １０％ ， ２００１ 年 则 超 过 一 半 ， ２００３ 年 已 达 到 ７０．５％ ， ２００６ 年 高达 ７６％ ， 兆 瓦 级 风 力 发 电 机 组 已 成 为 风 电 市 场 中 的 主 流机型。 随着风电机组单机容量的不断增大，为了便于运输

　　。截至 ２００７ 年 底 ， 球 风 电 总 装 机 容 量 达 到 全

　　了 ９４Ｇ Ｗ ， 年 发 电 量 超 过 ２００ＴＷ ｈ， 约 占 全 球 总 发 电 量 的 １．３％ 。 根据世界风能协会的统计结果， ２００８ 年全球风电新 增 装 机 容 量 约 ２７Ｇ Ｗ ， 总 装 机 容 量 达 到 了 １２１Ｇ Ｗ 。 ２００８ 年，美国与中国是全球新增风电装机容量最多的 ２ 个国 家 ， 美 国 新 增 风 电 装 机 ８３５．８Ｍ Ｗ ， 占 全 球 新 增 总 量 的 ３０．９％ ； 国 新 增 风 电 装 机 ６２４．６Ｍ Ｗ ， 全 球 新 增 总 量 的 中 占 ２３．３％ 。

　　和吊装， 风电机制造商都在结构设计的紧凑、 性、 各 柔 轻 盈化方面做了大量工作，风电设备制造技术呈现几个新 的 发 展 特 点 ［２ ］： （１）风 电 机 机 组 单 机 容 量 大 型 化 ， 瓦 级 兆 产 品 已 经 商 业 化 ， 上 单 机 容 量 达 ２Ｍ Ｗ ， 海 单 机 容 量 陆 近 已 达 ５Ｍ Ｗ ； （２）风 电 机 组 型 式 多 样 化 ， 恒 速 运 行 向 变 速 由 运行发展， 有发电量大、 风电场风速变化适应性好、 具 对 降低噪音、提高风轮效率和精确地控制功率因数等优 点； （３）风 电 机 组 由 定 桨 距 向 变 桨 距 方 向 发 展 ， 有 结 构 具 轻巧良好的变风速性能和运输起吊难度小等优点； （４） 采用柔性叶片和柔性塔架，以降低材料消耗和最大限度 吸收振动、减轻动载荷，主流机组已普遍采用轻质高性 能 玻 璃 纤 维 叶 片 ， 更 大 的 ５￣１０Ｍ Ｗ 叶 片 则 开 始 尝 试 应 用 碳 纤 维 材 料 ［１ ］。 ２．３ 海上风电技术 目前， 外海上风电技术逐渐成熟， 机容量已经超 国 装 过 １Ｇ Ｗ 。 欧洲风能协会（ Ｅ Ｗ Ｅ Ａ ） 预测， ２０２０ 年全球海上风 电机组装机容量将达到 ５０Ｇ Ｗ

　　提高到 ２００８ 年的 ６５．８％ ， 列前 １０ 位的省 （区）合计占全国 风电装机总容量的 ８９．１％ 。

　　电 量 可 比 陆 上 高 出 ５０％ ； 海 上 运 输 与 施 工 方 便 ， 超 过 １５００ｔ的浮吊已经普及应用巨型风力机的桨 叶长度达到了 ６０～７０ｍ

　　3 中国风电技术现状 ３．１ 中国风电装机总量 自 我国风能资源丰富， 适合大规模开发 。 １９８６ 年山东 荣成建成国内第一个示范风电场以来，经过 ２０ 多年的努 力， 风电场装机容量不断扩大。据中国风能协会公布的数 据 ， 止 到 ２００５ 年 底 ， 国 风 能 资 源 丰 富 的 １５ 个 省 、 、 截 全 市 自治区及特别行政区 （除 台 湾 省 外）已 建 成 风 电 场 ６２ 个 ， 累 计 运 行 风 电 机 组 １８６４ 台 ， 装 机 容 量 １．２６Ｇ Ｗ ， ２００５ 总 仅 年就建成了 ５００ Ｍ Ｗ 。２００８ 年， 中国累计风电装机总量 已 超 过 １２．１Ｇ Ｗ ， 全 球 份 额 的 １０．１％ ， 列 世 界 第 ４ 位 。 占 名

　　３．２ 中国风电产业技术特点 我国的风电产业起步于上世纪 ８０ 年代初，国家将风 力发电列为农村电气化的措施，推动了 １Ｋ Ｗ 以下小型充 电用风电机发展， 形成了几万台的年生产能力 。截至 ２００７ 年， 国内风电机组 制 造 商 达 到 ４０ 家 ， 中 ， 有 和 国 有 控 其 国 股 公 司 １７ 家 ， 营 制 造 企 业 １２ 家 ， 资 企 业 ７ 家 ， 商 民 合 外 独资企业 ４ 家 ［６］。据 ２００６ 年累计风电设备市场份额统计， 国产企业已占 ２２．７％ 。 目前， 国内主要风电机组 ６００Ｋ Ｗ 和 ７５０Ｋ Ｗ 定 桨 距 失 速 机 型 已 经 通 过 了 市 场 验 证 与 考 核 ， 国 产化率达 ９０％ ， 当 于 国 际 上 二 十 世 纪 ９０ 年 代 中 期 的 水 相 平。 国内自主研发的 １２００Ｋ Ｗ 直驱式永磁风力发电机组于 ２００５ 年 ４ 月完成吊装投入试 运 行 ， 国 内 具 有 完 全 自 主 知 识 产 权 的 １５００Ｋ Ｗ 直 驱 风 电 机 组 于 ２００８ 年 １０ 月 并 网 成 功， 标志着国产兆瓦级变桨变速技术取得重大进展 。在国 家风电设备国产化政策的有力推动下，风电设备零部件 制造水平也有了较大提高， 备了齿轮箱、 片、 机等 具 叶 电 关键零部件制造能力。 我 国 制 造 的 风 电 机 组 大 致 分 为 三 类 ［６ ］： （１）双 馈 式 变 桨变速机型， 术已成熟， 风电行业主流的先进技术， 技 属 如通用电气、 美飒、 斯塔斯、 司兰、 锐、 汽、 歌 维 苏 华 东 上 北 沈 （２）直 驱 永 磁 式 变 桨 变 海电气、 重、 阳华创等公司。 速机型， 已成熟， 表风电技术的发展方向， 金风科 业 代 如

　　表 ２ 列 出 了 ２０００￣２００８ 年 全 国 新 增 风 电 装 机 及 累 计 装 机 状况 ［３，４］。 我 国 修 订 的 《可 再 生 能 源 中 长 期 发 展 规 划 目 标》 提 出，到 ２０１０ 年新增风电装机容量 １０Ｇ Ｗ ，到 ２０２０ 年达到 ３０Ｇ Ｗ ， 约占国内发电总装机 １０ 亿 Ｋ Ｗ 容量的 ２％ ￣３％ ， 总 发电量的 １％ ￣１．５％ ，预计这一目标将会提前达到并超额 实现。据 ２００６、 ２００７ 和 ２００８ 三年统计数据 ， 全国并网风

　　力 发 电 容 量 分 别 达 到 年 增 长 率 １０５．３％ 、 １２７．３％ 和 １０５．８％ ， 实现飞跃性的发展。２００８ 年， 全国新增风电装机 容 量 达 到 ６２４６Ｍ Ｗ ， 占 当 年 全 国 新 增 发 电 装 机 容 量 的 ８．０％ ， 全国风电装机比重从 ２００５ 年 的 ０．２５％ 提 高 到 ２００８ 年的 １．５３％ 。 ２００８ 年列全国风电装机容量前 １０ 位的省 （市 、自治 区）及其份额如表 ３ 所示 ［３］。其中， 内蒙古、 辽宁、 河北 、 吉 林及黑龙江列全国风电装机容量前 ５ 位， ５ 个省 这 （区） 合计占全国风电总容量的份额从 ２００７ 年的 ６０．８％ 进一步

　　技、 电风能、 海万德、 西银河、 州新誉等公司。 湘 上 广 常 （３）失 速 型 定 桨 定 速 机 型 ， 是 目 前 市 场 的 主 流 技 术 ， 不 但 技术成熟，运行维护经验相对丰富，设备性能和产能比 ７５０Ｋ Ｗ 机 组 较 稳 定 ， 如 金 风 科 技 和 浙 江 运 达 的 ６００Ｋ Ｗ 、 等。 ３．３ 山东省风电技术现状 山东是东部沿海的风能丰富区，风能密度大于 ｓ 山 ２００Ｗ ／ （相 当 风 速 为 ６．９ｍ ／）。 为 加 快 发 展 ， 东 省 规 划 ｍ

　　专利技术报道， 点 是 降 低 轴 承 摩 擦 阻 力 ， 高 了 风 电 效 特 提 率与使用寿命。磁悬浮风电机组可在微风下运行， 工作风 速 为 １．５￣３６．９ｍ ／ （即 １￣１２ 级 风）， 风 轮 转 动 抗 湍 流 能 力 ｓ 强， 展示了一个全新的发展方向。 （４）海上风电场技术 ２１ 世 纪 是 世 界 风 电 产 业 由 陆 地 转 向 海 洋 的 世 纪 ［２，５］。 中国东部沿海水深 ２ｍ ￣１５ｍ 的海域面积辽阔， 利用的风 可 能资源约是陆上的 ３ 倍 ， 且 距 离 电 力 负 荷 中 心 很 近 ， 而 随 着海上风电场技术的发展成熟，必然成为未来的可持续 能源。

　　“十二五” 末风电总装机容量达到 ４Ｇ Ｗ 。 此外， 山东海上风 电项目开始启动， 我国第一个海上风电项目 —— —长岛海上 风力发电场一期庙岛南部海域 ５０ Ｍ Ｗ 风电场示范工程已 经进入开发阶段，中国海洋石油总公司计划在威海海域 建设总装机容量 １．１Ｇ Ｗ 的全球最大海上风电项目，并于 ２００８ 年 １０ 月开始一期工程建设。 4 中国风电技术发展展望 我国是最早利用风能的国家， 但是与国外经济发达国 家比较技术上仍存在一定差距，预计在以下几个方面会 有大的突破： （１）风轮叶片设计与制造技术 风轮叶片是风力机的主要动力部件， 叶片设计与制造 技术涉及叶片材料、 叶片结构与气动性能。传统的叶片大 多采用玻璃钢制造，主要考虑玻璃钢的比强度和比刚度 重量轻、 耐腐蚀、 抗疲劳性能 好 、 易成型 等 优 点 。 现 代 高、 大型风力机的发展趋势是采用高强度轻质大容量叶片， 主流机组已普遍采用玻璃纤维增强复合材料 Ｒ Ｐ）， （Ｇ 优点 是可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度，翼型 容易成型， 可达到最大气动效率。对更大的 ５￣１０Ｍ Ｗ 风力 机来说， 于强度与刚度要求更高、 重更大， 片设计 由 自 叶 适宜采用价格昂贵的碳纤维材料 ［７］。 （２）传动机构设计与制造技术 状 风力机传动机构包括齿轮机构、轴承、润滑系统 、 态监测系统等。统计数据表明，风电机组齿轮箱故障约 ５０％ 与轴承选型 、 制造、 润滑和工作状 态 有 关 。 目 前 ， 国

　　内兆瓦级以上机组的核心部件如电机、 轮箱、 片、 齿 叶 电 控设备和偏航系统等仍然依靠进口，对基础配件齿轮箱 轴承、 偏航轴承 、 桨 轴 承 及 主 轴 轴 承 等 研 究 不 够 。 齿 轮 变 箱作为风电机组的重要组成部分，其振动形态直接影响 风力机的运行性能， 态 检 测 极 为 重 要 ， 内 还 处 于 探 索 状 国 阶段。 （３）磁悬浮技术 目前， 国内外有多个关于磁悬浮技术应用于风力机的