风力发电产生的背景资料
风力发电产生的背景是太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风,其携带的能量即风能。风吹动风机旋转从而带动发电机旋转发电称风力发电即风电。风能是太阳能的一种转化形式,是一种不产生任何污染排放的可再生自然能源。与太阳能、生物、地热和海洋能发电相比,风电是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件的新能源。
能源是经济社会发展的重要物质基础,要实现2020 年我国GDP 翻两番的宏伟目标和国民经济的持续高速增长,仅靠常规能源难以解决能源和电力短缺。占电力供应70 %的煤电燃料———煤炭,探明的剩余开采储量为1 390 亿t ,按2003 年开采速度16. 67亿t/ a ,仅能维持83 a ,还将带来严重的环境污染。我国的石油资源不足,天然气资源也不够丰富,天然铀资源短缺。我国水能资源经济可开发量为4. 02亿kW ,年发电量1. 7万亿kW·h ,再经过20～30 a 的开发,70 %左右将被开发完,仅靠水能是解决不了我国电力短缺的。
我国的风能资源十分丰富,根据国家气象局估计,我国10 m 高度以内可开发利用的地表风电能源约为10 亿kW ,其中陆地2. 5亿kW ,海上7. 5亿kW ,如果扩展到50～60 m 以上高度,风力资源将有望扩展到20～25 亿kW。因此,风力发电是我国能源可持续发展的现实而重要的选择。
风电机组(主要指并网风电机组) 是风力发电的核心设备,其投资约占总投资的60 %～80 %。风电机组的生产和制造水平也是反映一个国家风电发展水平的重要因素,因此由进口转化为国产,可大大降低风电厂的投资,从而有力地促进风电的快速发展。
1 我国风电设备制造技术现状
我国自1983 年山东引进3 台丹麦Vestas 55kW 风力发电机组,开始了并网发电技术的试验和示范。“七五”至“九五”期间国家把风电机组列为重点攻关项目,并制订了一些优惠政策,鼓舞我国风电厂的建设士气和制造业发展风电机组生产技术的热情。1986～1993 年,全国共建12 个风电厂,装机容量达到13 300 kW ,年均装机1 662. 5 kW; 1994～1999 年, 全国风电( 包括21 个风电厂) 共装机249 050 kW ,年均装机41 508 kW。
我国风电厂新装风机的单机容量经历了阶跃式发展。1992～1996 年主力机型为200～300 kW 机组,1997～2002 年则为600 kW 机组。截止2002 年底,我国累计风电装机中各容量风电机组的份额见表1 。
我国风电机组中单机容量在310. 1～749. 9 kW的占绝大多数。这是我国1997～2002 年风电发展所取得的成果。
截止1999 年底,我国风电厂共安装国产机组29 台,总装机容量8 350 kW ,机组台数和装机容量分别占全国风电的4. 9 %和3. 2 %。目前风电厂安装的国产机组生产来源主要有两种,一种是自行科技攻关的样机或后续生产的几台机组,由于技术和质量问题,需要继续改进;另一种是引进国外先进技术或与国外厂商合作生产的,部分部件用国产的替代,如轮毂、发电机和塔架等,且基本上能够正常运行。通过支付技术转让费引进全套制造技术或与国外公司合资生产等方式。我国目前基本具备生产600kW 机组的能力,国产化率可达90 %。
我国从1984 年研制200 kW 风电机组到现在已经过了20 多年,国产风电机组在我国尚未占有一席之地,可见完全靠自己研制来提高风电机组制造技术是很不够的。
2 我国与世界先进制造技术的差距
世界上先进的风电设备制造商主要在丹麦(风电机组产量占世界市场一半份额) 、德国和美国。德国是世界上风电机组台数及容量最多的国家,也是风电技术领先的国家,其风电技术的演化路径和发展趋势,在一定程度上代表了世界风电技术的发展路径和发展趋势。增大单机容量、提高能源转换效率、降低风电成本是风电技术的改进目标。影响单机发电容量的物理参数包括叶轮直径和轴心高度。到20 世纪90 年代后期,已能生产MW 级风电机组,随着近海风电技术的推广,3～5 MW 级的风电机组在市场中的比例日益提高。1989～2002 年,德国风机平均轴心高度增加1 倍,叶轮直径增加2 倍,发电容量提高了10 倍左右。
现代风能利用技术的核心技术之一是控制调整能量输出的稳定性。风力发电机的调节技术有两种手段:一是桨距不变,依靠发电机的调节适应不同转速的输入,确保电力输出的稳定性。定桨距调节技术的优点是调节简单可靠,控制也可大大简化,缺点是桨叶、轮毂、塔架等主要受力部件受力增大。二是依靠变化桨距调节风机转速,保证电机转子转速的稳定性。变桨距调节技术的优点是能够对各种不同的风速调节桨距,控制能量输出,其对风速的调节范围更宽,缺点是调节程序和工艺设计复杂。但从风电的调节技术发展趋势来看,变桨距调节技术正在逐渐取代定桨距调节技术,变桨距变速调频是世界上先进的主流技术。
目前我国风电装机的主力机型是600 kW 机组,而2000 年后世界风电市场的主力机型是兆瓦级的,且近海风电机组单机容量达到3～5 MW。从风机叶片的直径、轴心高度和风电机组的调节技术上,我国与世界先进水平差距亦较大。但近年来,我国风电机组制造技术提高迅速,可望在不远的将来缩小和赶上世界风电设备制造的先进水平。
3 对我国风电建设的几点建议
我国能源结构及能源可持续发展必须满足国民经济可持续发展的要求。为此,大力发展风电和快速提高风电设备制造技术水平是我国能源建设的当务之急。根据目前我国风电设备的制造技术现状以及与世界先进技术的差距,提出如下几点建议。
3. 1 制订风电发展的优惠政策
在国家发改委的统一领导和管理下,制订风电建设的优惠政策,调动各方面的积极性,大力发展风电,建议主要采取以下政策措施:
(1) 规定电网管理部门允许风电就近上网,并收购全部上网电量;
(2) 按发电成本加还本付息、合理利润的原则确定上网电价,高出电网平均电价部分,建议国家开征矿石能源消费税进行补偿,风电价格实行动态管理,每年进行核算和调整,使各方面保持发展风电的积极性;
(3) 风电设备生产企业属高新技术产业,享受国家相关的减免税政策;
(4) 制订政策导向的风电建设及风电设备制造技术的技术标准,如风电厂的建设规模和新装风电机组单机容量要达到一定规模及容量要求等。
3. 2 在引进设备的同时引进制造技术
建议通过100 万kW 级大型风电厂建设,要求并鼓励项目法人在风电设备的采购招标文件中明确:国外制造商要与国内设备制造商联合投标,国外企业为责任方,国内企业为分包商,并附上明确分包比例,签订设计、制造、维修等技术转让协议。如果一个100 万kW 级风电厂引进一家世界先进水平风电设备制造技术,几个100 万kW 级风电厂就能把世界上顶尖的风电制造技术引入到我国的风电制造企业中来,从而降低风电设备费和风电厂的建设成本,促进风电建设的大力发展。
3. 3 引进消化注意过程控制
建议国家投入一定的配套资金支持国内企业进行生产设备的改造更新,并注意:
(1) 招标前,国内外风电设备企业在与项目法人和设计单位交流时,国内企业就要积极参与,从中了解国外企业的信息;
(2) 在招投标阶段,积极为国内企业创造条件,寻找国外愿意转让设计制造技术的合作伙伴,签订转让协议,参与投标;
(3) 在中标签合同阶段,国内企业要积极参与问题澄清、合同谈判,将转让协议作为合同附件,具备法定效力;
(4) 在工程的设计阶段,国内企业与国外企业联合设计,并参与项目法人、工程设计单位与国外企业举行的各次设计联络会,从而掌握风电设备的设计与工程设计或具体工程的结合;
(5) 生产设备改造后,在外方的指导和监督下具体制造分包的部分;
(6) 在分包制造取得一定经验的基础上进行整体制造;
(7) 无论是国外制造还是国内制造,国内厂家都应参加设备的安装调试及试运行,从中发现问题,以利更好地提高产品质量或找到改进的着眼点。
3. 4 引进消化后再创新
在引进消化基础上,建议国内企业根据两方面的要求进行再创新。① 根据安装调试和试运行过程中发现的问题以及运行单位提出的要求,有针对性地进行改造,使引进的风电设备更完善,性能指标更高,运行更可靠,从某种意义上讲这也是一种创新。②在引进消化的基础上结合我国风能资源特点研发新型的风电机组设备。如我国两大风带(三北地区及东南沿海) 的风力资源与欧洲、北美的差别较大,北方有寒冬低温、沙尘问题,南方有台风、抗腐蚀、防雷电问题,在引进风电设备的基础上结合我国的具体情况进行研发,就能使引进的技术再创新。
