新型储能风电机促进风电产业大发展

新型储能风电机促进风电产业大发展来源：中国风谷内容简介必须认清欧美风电技术是以海洋性气候发展起来的高风速风电机，存在发电效率低、故障率高、并网稳定性差等问题，在陆地大量使用“水土不服”问题越来越严重。并且我国“风电三峡”建设面临严峻的并网难题。已严重影响到风电产业的发展，必须采用新技术才能保证我国风电产业健康快速发展。关键词新风电技术流体传动储能技术风电三峡大发展纵观国际形势，世界经济和政治的目标正在以能源发展为中心发生着重大而深刻的变化，新一轮的经济发展和技术变革将以新能源建设展开，大力发展低碳经济是世界潮流。审视国内现实，现状仍很严峻，中国能源煤炭比重大，水电、核电、新能源所占比重小，石油、天然气短缺。中国是世界最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在一次能源生产和消费的比重为70％左右，比国际水平的27％高40多个百分点。总的来说，要实现中国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，非化石能源占一次能源消费的比重达到15％左右的目标，任务非常繁重。大力发展清洁新能源是保持我国经济健康快速发展的有力保证。风能是最具有开发价值的新能源，风能是分布最广，离我们最近，取用最方便的无污染的清洁能源，用好风电对减少碳排放，改善环境意义重大。风能也是储量巨大的新能源，风能取之不尽，用之不竭，并具有相对最低的开发成本，所以风电的发展应该作为新能源发展的重点。中国气象局日前公布我国首次风能资源详查和评价取得的进展和阶段性成果：我国陆上离地面50米高度达到3级以上风能资源的潜在开发量约23.8亿千瓦；我国5—25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度可装机容量约2亿千瓦。我国陆上风能资源主要集中在内蒙古的蒙东和蒙西、新疆哈密、甘肃酒泉、河北坝上、吉林西部和江苏近海等7个千万千瓦级风电基地。仅这些地区的陆上50米高度3级以上风能资源的潜在开发量就达18.5亿千瓦。面对如此巨大的风能资源，面对我国严峻的节能减排形势，为什么我国80多家风电设备生产企业大部分产能闲置？为什么会出现严重产能过剩？具统计至2010年我国风电装机容量达到4000万千瓦以上，但风电的发电量还很小，装机容量占可开发量就更少，为什么风电工程会沦落为“形象工程”？风电被称为“垃圾电源”？为什么风电的开发与需求产生如此大的反差？这些矛盾和问题的出现已严重影响到风电产业的发展。我国陆地有多风地区，但都较偏远，目前我国大规模风电场的建设受到并网瓶颈的制约，风电机的推广又受到发电效率低，投资成本大，维护成本高的制约。我国风电产业面临严峻的发展难题。要破解难题就必须对造成难题的原因有一个清醒的认识，欧美的风电技术并不符合中国国情。中国有句名言“不破不立”，首先我们对欧美的风电技术要有一个正确认识，不要被欧美的风电技术所束缚，贪大求洋，不是风电技术的发展方向。钱老十分关心风能产业，他早就指出“搞风力发电不能‘学究’式。要造出实用的机器，还得是一位工程师，不能只是一位科学家，工程设计的创新就在于搞出结构简单可靠，造价低的机器，这里只注意空气动力问题是不够的。要开发就不只是研制，从技术上讲，产品要质优价廉才行，不然是站不住的。”钱老对风电产业早就寄予厚望，他的思想至今让人受益匪浅。风电产业的发展在于技术创新，“站在山顶，才能一览众山小”，“走在前面，才能发现更大宝藏”，希望我国的风电企业和研发部门以新的高度、新的技术来发展风电产业，我们离不开拐杖，就无法学会奔跑，我们要树立信心，大力发展自有技术，开发微风高效、质优价廉的风电机，让大型风电设备得到推广普及，只有这样才能让我国的风电产业大发展，才能使风电成为最重要的新能源，我们的技术也将引领世界风电技术新潮流，并在风能技术的开发上领跑世界风电产业。这个目标需要我国广大工程技术人员和研发生产企业的共同努力。业内专家认为，5年来，我国已经解决了风电“从无到有”的问题；未来5年，大力解决“从有到好”的问题将是产业能否健康持续发展的关键。我们需要大力发展风电产业，更需要重视存在的问题，积累的问题越多，受到的损失就越大。我国风电产业经过二三年的飞速发展，产业规模已达到世界第一，装机容量也达到世界第一。我们在短时间内走完了其他国家二、三十年的发展历程，发展之快令世界惊叹。我国风电技术从引进就直接过渡到大规模生产，在大规模风电场建设中，现有风电技术与我国国情的不适应越来越突出。目前我国大量引进的是欧洲的风电技术，是以海洋性气候发展起来的高风速风电机，欧洲的风电技术发展了几十年，发电效率低、并网稳定性差、故障率高的问题始终没有解决。在我国陆地使用问题更加突出，首先造成“装机容量大而发电量低”现象发生。其次是并网稳定性差对我国大规模风电场建设形成瓶颈，存在“风小发不出电，风大又并不了网”的现象，风大风电机会变的不稳定，容易形成冲击电流，造成并网困难，大规模风电机并网至今仍是世界难题。还有故障率高，齿轮箱问题、轴承问题、控制系统问题造成高额维护费用。这些问题国外也大量存在，甚至有风电场全部风电机拆回返修的情况，还有大型风电设备制造商因为质量问题而破产倒闭的例子。这些问题的大量存在，应当引起我们的反思。现有风电机的问题与叶片的高风载和控制系统的滞后性有很大关系。现有叶片是根据空气动力学原理设计制造，MW级风电机叶片非常巨大，强刚性能要求很高，造价高昂。由于叶片的长度很长，沿径向圆周速度不同，在不同的叶片截面上就有不同的来流相对速度，有不同的进口攻角，作用于叶片上的力就会不同，所以叶片沿长度做成扭曲的，具有较好的空气动力性能。但风速低，肯定叶片空气动力性能弱，微风发电性能低，就像飞机速度低没有升力一样；风速高，叶片的空气动力性能会越来越强，会变的难以控制，容易形成冲击电流，对并网稳定性造成严重影响，大的风载还会对风电机造成破坏。通过简单的量化计算就可知道它的危害程度，我们以1.5MW风电机为例进行说明，设计风速为13m/s，产生的能量为1.5MW，可转换为152958kgf·m/s，其能量核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s，而风的能量与风速的关系是三次方的关系，那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上，这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能，但任何控制系统都存在滞后性，不可能对叶片及时完全卸载，这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的，我们设计制造的变速装置很大，强度也非常高，但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。为了避免变速装置的损坏，风电机又向直驱方向发展，直驱方式省掉了变速装置，但造成发电机转子转速降低，我们知道发电机的发电效率是由线圈切割磁力线的速度决定的，发电机转子转速的降低，也就意味着发电效率的降低，人们又一次以牺牲发电效率为代价来解决叶片设计不合理所造成的后果。这种治标不治本的方式肯定是达不到效果的，这样做只是改变了故障发生的部位，并不能避免强风载带来的破坏。强风载也是造成沿海风电机不稳定、安全性无法保障的最根本原因。也是造成沿海风电机被台风损毁的主要原因。叶片强风载还会造成风电机强烈振动，这对风电机的破坏也是很强的，往往造成疲劳损坏和高故障率。控制系统的滞后性也是造成不稳定和破坏性的主要因素，现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置，我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的，我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生的，偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1°/秒，90°就需要90秒的调整时间，在这么长的调整过程中，风轮叶片所受的风力角是完全不同的，也就是叶片所受的风力是变化的，必然造成风轮转速的不稳定，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风电机解网，造成电网的不稳定。这种调节的滞后性在强风暴的气候条件下，往往会造成严重的后果，在高风速情况下叶片处于顺浆位置，若风向发生90°变化，就会使叶片完全处于大面积受风的状态，使叶片受力突然增大，叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击，巨大的风载也会对偏航装置造成冲击，造成变速装置和偏航装置的损坏，叶片也有可能被折损坏。所以控制系统的滞后性将影响控制效果，风电机庞大，控制过程就成了问题发生过程。叶片的高风载特性和控制系统滞后性给风电产业带来巨大的损失。国外有几十年生产经验，很有实力的公司，都在风电机产品上出现过这样那样的问题。丹麦20年前有20多家制造商，最后只剩一家半了，一家是维斯塔斯，半家是西门子。世界最大的风力发电机组制造商NEGMicon就是因为齿轮箱问题，他为所生产的风力发电机组都换了一次齿轮箱，这家世界最大的风力发电机制造商破产了，这在其它产业是不可能发生的。欧洲有多个风电场的风电机，由于质量问题而全面召回。2003年13号台风“杜鹃”，2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场，南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。齿轮箱问题、轴承问题、叶片问题、控制系统问题可以说是层出不穷。如此多的风电企业发生质量事故，并且质量事故都是相似的，很显然不是企业生产问题，而是技术设计问题。为了解决并网难题，现在我国已加紧智能电网的建设，智能电网是被动调峰，就好比将河加宽，江河相连，但毕竟我们处于河道的末端，当风电的占比很大时，就相当于河道发洪水，河道很难满足泄洪疏导的作用。我们通过简单的量化计算来说明这个问题，一个千万千瓦级风电场会有5000台左右的风电机组，如此巨大的风电场将延绵数百公里，我们知道风速的大小和方向会随时在变化，风是有波动性的，间隔时间较长的称为阵风，我们根据浪涌原理来计算风电场产生冲击电流的大小，浪涌原理就是一排浪产生的能量，不会因为波谷的存在而抵消，会一直向前传输，我们设定风电场中风电机的排列是均匀的，设定在阵风的作用下，有100台风电机受到风速变化的影响，我们选取2.5MW风电机数据进行计算，风电机的牌子是德国Nordex公司N80，我们取较低数据，当风速5m/s，功率是120kw，当风速6m/s，功率是248kw。当风速变化为1m/s时，功率的变化是128kw，如果按100台风电机计算，功率变化值就达12800kw，这一万千瓦的冲击能量会在电路中持续一段时间，时间的长短就是这阵风移出风电场的时间，在这段时间内还有第二阵风，第三阵风……第n阵风形成冲击电流，电路中总的冲击电流就是n个冲击电流之和。几万千瓦的冲击能量不知道要多强大的智能电网才能承受？而且这个计算值已经很小了，我们是按低风速，小的变化量进行计算的，如果是1000台风电机功率发生变化，如果风的变化速度是2m/s，也有可能更大，因此冲击能量达到几十万千瓦的几率也是很大的。所以，实际使用中的冲击能量将是非常惊人的，并不是靠建设一条智能电网就能解决的，而是一项系统工程。我们既要建智能电网，更应该改善风电机性能，首先要在风电机上增加储能装置，每一台风电机都相当于一个小水库，只要控制小水库的流水量，就可以保证大水库不被冲垮。所以只有增加储能装置才能缓冲冲击能量，才能储存冲击能量，才能保证并网的稳定性。美国通用电气公司(GE)副总裁迈克尔·艾德奇2009年底在中国公开表示，现有风能技术在3年后就会被淘汰，下一代的风能技术，GE会显示出更强大的优势。我国风电技术面临两个选择：一个选择是等待别人把我们淘汰，然后再引进技术，从头再来！另一种选择是站在巨人肩上，取得后发优势！时不我待，开拓创新，我们要有强烈的忧患意识，大力发展符合国情的风电技术。我们应该做的是加强理论基础研究，根据我国陆地风速的特点，开发陆地使用的低风速风电机。大幅提高微风发电性能，有效利用陆地3~8米/秒的风速，让风电长时间的输出，再配置适当的储能装置，克服风电的波动性和间歇性，保证风电的稳定和持续输出。新型流体传动储能风电机的研发为解决并网难题提供了很好的解决方案，新型流体传动储能风电机虽然还没有得到正式应用，但蕴藏的竞争优势正在冲击着现有风电技术。从流体传动特性的要求上来讲，首先流体传动的效率比机械传动要低