德国海上5MW风电发展情况

关于德国海上风电发展和关于德国海上风电发展和关于德国海上风电发展和关于德国海上风电发展和5兆瓦兆瓦兆瓦兆瓦级别级别级别级别风机的情况风机的情况风机的情况风机的情况风能中国网解亚千一一一一、、、、海上风电在欧洲的发展的历史和大环境海上风电在欧洲的发展的历史和大环境海上风电在欧洲的发展的历史和大环境海上风电在欧洲的发展的历史和大环境风电在欧洲，特别是在发展风力发电比较早、产业规模比较大的德国、丹麦和荷兰三个国家，经历了几十年的发展之后，已经逐渐的饱和。这里所说的饱和，包括两方面的含义：1.地理方面的限制：陆地上可开发建设风电场的土地逐渐开发殆尽；2.技术方面的限制：风电不稳定性带给电网的冲击以及电力调度的容量逐渐达到电网能够消化的极限。由问题一直接催生了海上风电（Offshore）和旧风场改造（Repowering）产业的发展，而问题二则直接催生了风电并网的电力要求（比如低压穿越能力）和非双馈机型（比如直驱机型）的发展。北欧地区没有地震和台风影响、北海海域和波罗的海海域的水深较浅、北欧各国航海业和海上作业产业发达等客观条件使得海上风电成为可能。在这个大的背景下，风电行业的先驱者Vestas于1990年首先在瑞典海域内建造了第一台海上风电机，Bonus（已被西门子收购）的前身DanregnVindkraft则于1991年在丹麦建造了世界上第一个海上风电场。之后的1994年和1996年，NEG麦康（已被Vestas收购）分别在荷兰建造了两个海上风电场；1995年Vestas在丹麦建了一个海上风电场。这些海上风电机/风电场的特点是：1.水深比较浅（0米-10米）2.风电机单机功率小（450千瓦-600千瓦）3.无特殊的海上适应设计自建成开始，这些海上风电场就问题不断：其中技术方面最大的问题是风电机受潮湿的海风腐蚀严重；而运营方面最大的问题就是造价和维护费用过高，发电量收益根本无法平衡支出，亏损严重。所以这些风电场的存活，实际上是依靠国家补助和公司战略补助，实验意义远大于商业意义。经过5年左右的发展和完善，2000年前后才出现了真正商业运营的海上风电场。GE在瑞典海域、Siemens和Vestas在丹麦海域分别建造了三个商业运营的海上风电场。为了降低单位功率的造价，这些风电场的风电机都选用了当时最大的单机功率（1.5兆瓦和2兆瓦单机）。二二二二、、、、德国海上风电发展的情况德国海上风电发展的情况德国海上风电发展的情况德国海上风电发展的情况德国受海洋法的限制，海岸线15海里之内不允许开发海上风电场，这导致了德国规划的海上风电场水深超过25米，技术要求和造价预算远远高于丹麦和荷兰的海上风电场。加上旧的《新能源法案》不区分海上风电和陆地风电的补助，使得海上风电在德国起步比较晚。1999年，由EWE电力集团、意昂电力集团和Vattenfall电力集团出资组建子公司DOTI，正式筹建德国第一个海上风电场AlphaVentus，目的是迈出德国海上风电应用的第一步。2001年，该项目得到德国海洋局的批准，测风平台FINO1启动。AlphaVentus风电场位于德国Borkum岛西北45公里处，紧邻荷兰海界。根据浪高不同，该海域水深为28米-30米之间。整个风电场总规划面积为3.84平方千米，风电机与风电机之间的间隔为800米，三列四行共12台风电机。由于该项目实验意图明显，所以风电机选型方面特别侧重不同的机型和基础形式。当时拟选用的风机为：-4台Enercon公司E-112（5兆瓦额定功率、直驱、单桩Monopile基础）-4台Multibrid公司的M5000（5兆瓦额定功率、半直驱、三脚架Tripod基础）-4台REpower公司的5M（5兆瓦额定功率、双馈、桁架Jacket基础）项目启动之后，遇到了各种各样的困难。其中最主要的有以下几个方面：1.Enercon公司认为海上风电技术不成熟，不肯将自己的风机安装到海上2.保险公司和银行无法对海上风电项目进行风险评估，承保和贷款都有困难3.钢铁价格在全球范围内大涨，导致工程预算远远超过预期这些困难使得AlphaVentus项目启动之后不久就处于停顿状态。2004年，德国议会讨论修改《新能源法案》，添加了两条重要的规定：1.风电项目必须强制并网，所有费用由电力运营商承担2.提高风电并网价格，并区分海上风电和陆地风电并网价格；海上风电的电价达到了13欧分/千瓦时（2008年又追加了2欧分，达到15欧分/千瓦时）受《新能源法案》修正案的影响，海上风电项目在德国开始爆炸性的增长。世界各国的新能源资本开始集中到德国（俄国资本成立BARD公司、印度Suzlon收购德国REpower股权、法国阿琅法集团收购Multibrid股权），生产海上风电机。海上风电项目的规划也迅速超过20个（根据德国海洋局最新的公告，德国目前规划的海上风电场为30个），仅得到德国海洋局批复并在建或筹建的7个海上风电场，规划的总容量就达到2800兆瓦，而总规划则超过25000兆瓦。AlphaVentus项目也重新启动：1.十二台样机中不再选用Enercon的E-112，Multibrid和REpower分别承建六台2.有国家立法的保证，银行和保险公司的担忧一扫而光3.高额的电价补助足以平衡钢铁涨价带来的预算增长2007年，该项目的海底电缆开始铺设；同年6月，签订风机的采购合同。2008年7月，海上变电站建成。2009年7月15日第一台风机安装完成；2009年8月12日，三台风电机安装完成后试运行并网发电；2009年11月16日，所有十二台风电机安装完成。2010年4月27日，AlphaVentus所有风电机正式并网发电。AlphaVentus项目数据补充概要：-历时超过十年，参与的公司超过20家-十二台5兆瓦风机，全部产自德国不来梅港-总装机容量为60兆瓦，预计年发电量为2200万千瓦时-使用安装船17艘，租金5万-15万欧元/天AlphaVentus之后，德国目前已经在建的风电场包括：-Baltic1风电场，21台西门子SWT2.3-93机型（单机功率2.3兆瓦）-BARDOffshore1，80台BARDVM(单机功率5兆瓦)三三三三、、、、风电机单机功率的发展风电机单机功率的发展风电机单机功率的发展风电机单机功率的发展一般来说，风电机的单机功率越大，其安装附加费用平均到单位功率上形成的造价越低，整机的单位功率造价和度电成本也会越低。正是基于这个原因，风电机单机功率越来越大，目前已经达到了7.5兆瓦（Enercon的E-126）。但是，风电机功率的发展不仅受到经济因素的影响，还要受风力资源本身的限制。下面这张图是新华社2007年公布的中国风力资源图（10米高），数据比较老，仅拿来作为参考。从图上可以看出，中国风力最强劲的地方，风能密度在200瓦/平方米以上。事实上，中国风力最强劲的几个地区，风能密度是可以达到300瓦/平方米以上的。为了进行简单的估算，我们按照目前技术水平假设几个最大前提条件：1.风电机轮毂高100米左右，叶轮扫过的面积大约为10000平方米2.风电机安装在风能密度最高的地区3.风电机的转化率在0.4-0.5之间考虑到中国北方空气寒冷，地面10米的风能密度为300的话，100米高度可能达到500甚至600。那么流经10000平方米叶轮的风的能量大约为6兆瓦，乘以转化率后大概是2.4兆瓦到3兆瓦之间。由于上面的估算都是以最大值为假设的，所以3兆瓦的单机功率应该是中国陆地风电机的极限。当然，这个计算只是纯理论性质的平均值计算，实际情况根据风况的不同会有一个小幅度的波动。将来科技发展，或许可以做出200米高的风机以及20000平方米的叶轮，届时陆地风电机的极限就会改写了。海上的风力比陆地的风更加强劲，方向也比较单一，但相应的安装和运输费用却会大幅度提高。适当的增加单机容量来降低单位功率的附加费用是启动海上风电项目的有利解决方案。特别是德国的海上风电场，水深和离岸距离远带来的附加费用相当高。经过德国海洋局和相关风能机构的估算，在德国海域安装5兆瓦级别的风电机，才可以最大限度的降低单位功率的附加成本。由于缺乏中国海洋风力以及相关造价的资料，最适合中国海上风电场的单机功率难以估测。四四四四、、、、5兆瓦级别风电机的情况兆瓦级别风电机的情况兆瓦级别风电机的情况兆瓦级别风电机的情况这里所说的5兆瓦级别，实际上是指单机功率介于4兆瓦到6兆瓦之间的单机。目前已经有成型设计的机型包括：-美国GE的4兆瓦（GE4.0-110）机型-西班牙歌美飒的4.5兆瓦（G-128）机型-德国Enercon的4.5兆瓦-6兆瓦（E-112）和6兆瓦（E-126）机型-德国阿琅法Multibrid的5兆瓦（M5000）机型-德国REpower的5兆瓦（5M）和6兆瓦（6M）机型-德国BARD的5兆瓦（VM）机型-荷兰湘电Darwind的5兆瓦（DD115）机型其中歌美飒的G-128、Enercon的E-112以及E-126是陆地型风机，GE的GE4.0-110、阿琅法Multibrid的M5000、BARD的VM和湘电Darwind的DD115属于海上机型，REpower的5M和6M属于海陆均可的。除了这些已经有成型设计的机型之外，大连华锐和重庆海装也声称要出5兆瓦机型，不过具体进度还不明确。美国美国美国美国GE的GE4.0-110结构如下图所示：直驱长轴，永磁绕线电机后置，四象全变频器设计在主轴上面。110米叶轮直径，扫风面积9567平方米；全自动润滑主轴承，无液压偏航刹车。整体设计简单，力学结构合理。电机和变频器可以单独拆装，但更换主轴的话，需要将叶轮拆下。西班牙歌美飒西班牙歌美飒西班牙歌美飒西班牙歌美飒的G-128采用二级行星传动齿轮结构，属于半直驱。空心短轴经齿轮箱后同心连接永磁同步电机，全变频器后置。整体结构设计紧凑，机舱重量轻。128米叶轮直径，扫风面积12868平方米。变频器和电机可以单独拆装，但齿轮箱和主轴不可以单独拆装，需要将叶轮卸下。德国德国德国德国Enercon公司公司公司公司的E-112结构如下图所示：直驱无中心主轴，电子励磁同步电机前置。叶轮直径114米，扫风面积10207平方米；额定功率4.5兆瓦，但可以选配到6兆瓦。叶轮输入轴、发电机定子和机舱钢结构整合在一起，发电机和叶轮输入轴无法单独拆装。全变频器后置，钢结构上可以使用油葫芦等小型起重设备。E-126是E-112的改进型，整体结构设计没有大的变动，只是拥有改进了的发电机，更大的旋转直径，更高的轮毂和改进的叶片设计，安装后度电成本比E-112更低。叶轮直径127米，扫风面积12668平方米；额定功率6兆瓦，但可以选配到7.5兆瓦。跟E-112一样，E-126采用铝合金机舱、钢结构龙骨+玻璃纤维+铝合金叶尖的叶片，但其整机外形和使用的基础都与E-112相同，所以可以使用原E-112的生产线进行生产。德国德国德国德国Multibrid公司公司公司公司被法国能源集团阿琅法收购51%股权后改名为阿琅法Muitibrid。其5兆瓦机型M5000最初是由Aerodyn公司设计的，Multibrid拿到Aerodyn的设计图纸后，经过了5年左右的独立研发，才在不来梅港建造了第一台试验样机。从结构上看，Multibrid的半直驱设计已经有SCD（SuperCompactDesign）的雏形，类似的设计还有GE的Intergradrive，其设计思维都是把叶轮输入轴和齿轮箱低速轴整合在一起，而齿轮箱高速轴和发电机整合到一起，所有这些零部件都与机舱钢结构整合到一起。这种设计使传动链部分和电机部分密封性能良好，配合机舱内正压密封，可以使风机有效的防腐，适合海上作业；缺点是所有零部件无法单独拆装，一旦出现问题就要整体拆卸。M5000采用的是二级行星轮设计，属半直驱；永磁中压同步电机与齿轮箱、机舱钢结构整合到一起；叶轮直径116米，扫风面积10568平方米。为了减轻机舱重量，M5000将除齿轮箱、发电机和偏航系统的其他设备全部设计到塔筒内，比如变频器、空气滤清装置以及冷却设备等。最新的M50