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全球新能源技术之风电篇  

2016-04-13 10:07:38|  分类: 风力发电 |  标签: |举报 |字号 订阅

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新能源的迅猛发展,依靠的是不断进步的技术。在风电领域,海上风电的漂浮式基础、整体安装等极有可能成为未来的主流技术。

  近年来,风力发电技术愈加成熟,单机容量持续增加,风电机组技术也随着发生重大变革,从失速调节发展到变桨调节,从定速运行发展到变速运行,从齿轮箱传动发展到无齿轮箱直驱技术。风电机组的发电效率和可靠性不断增加,运行维护成本也得到显著降低。

  部件构成及工作原理

  风电是风能转化为机械能进而机械能再转化为电能的过程。风力发电有横轴型风力发电系统和垂直轴型风力发电系统两种。

  目前商用大型风力发电系统一般为水平轴风力发电机,它由风轮(包括叶片和轮毂)、传动链(包括轴、齿轮箱(直驱式不含有齿轮箱)、制动器和发电机)、偏航装臵、控制系统、塔架等部件所组成(图 2-1)。风轮和传动系统是风电系统中的核心部件。

  典型现代水平带齿轮装臵的风电机系统部件构成风电系统的工作原理是风轮叶片在风的作用下,使得整个风轮形成了扭转、倾覆和偏转运动。扭转的主轴(低速轴)将会传递风轮扭矩到齿轮箱的一级行星齿轮上,而一级行星齿轮将通过二级平行轴齿轮传递扭转,使得低转速大扭矩的载荷转化为高转速低扭矩的载荷,便于发电机的吸收;最后电机轴(高速轴)上的扭矩将通过切割电磁形成电能,完成风能—机械能—电能的转化。由于风向经常变化,为了有效地利用风能,必须要有迎风装臵,它根据风向传感器测得的风向信号,由控制器控制偏航电机,驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动,使机舱始终对风。

  关键技术

  风轮

  风轮是风电系统的关键部件之一,占机组总体成本的 20%。影响风电性能的因素主要有风轮直径、结构设计、叶片材料、叶片制造工艺等。

  1. 过去10年风轮直径增长迅速,捕风能力增强。

  风轮直径影响扫风面积,也就决定了捕风能力。近几年,为满足低风速地区和海上风电的开发需求,叶片的长度不断增长。中国 2014 和 2015 年安装和投运的机组中,风轮直径在 93 米及以上的 1.5MW 机组占绝大多数,而 2008 年以前,是以 70 米以下风轮直径的 1.5MW 型机组为主。近三年,风轮直径为 100-121米的 2MW 机组陆续问世,并相继成为主流机型。2008 年之前,风轮直径没有超过 100 米的,但从 2009 年以后,美国大叶片占据市场的主导地位,到 2012 年,47%的新增装机的风轮直径超过100 米,到 2014 年,80%的新增装机的风轮直径是 110 米或者更长。

  目前,全球最长的风轮直径是 190 米,是美国能源技术公司设计的 SeaTitan 10MW 的风电机组(样机正在制造中),其次是三星功率为 7MW 的 S7.0-171,风轮直径是 171 米。

  未来风电机组将继续向大功率、大叶片的方向发展。根据欧盟资助项目 UPWIND 研究表明,开发 20MW 的风力发电机,叶片长度 120 米是可行的。

  2. 叶片结构设计优化,性能不断提高

  结构设计是在保证强度、刚度以及气动性能的前提下,对材料做出选择,对叶片截面的尺寸、形状进行设计和优化,以获取性能好而重量轻的叶片。

  第一,在风电机组根部、迎风面等位臵黏贴组件,可以改善叶片的气动性能、抑制失速,提高风能利用系数,减少噪音等。通过添加涡流发生器可阻止面内流动分离和稳定面外流动,抑制叶片表面气流失速现象;格尼襟翼调节叶片特殊运行条件下的载荷并获得更高发电量;在叶尖下添加小翼可提升发电量并减少噪音;或者在后缘加上锯齿设计可改变尾涡结构,进而减少噪音。

  第二,为了方便WMW级叶片的运输和方便生产,部分企业已研究出叶片分段技术。现阶段,大部分企业分段叶片主要是 2 段,西班牙 Gamesa 公司和德国 Enercon 公司已经商业化生产两段叶片,美国的 Modular 风电公司 3 段叶片技术设计完成。

  3. 增强材料以玻璃纤维为主,高成本限制碳纤维的使用。目前的风电叶片的原材料主要使用环氧树脂、聚酯树脂等与玻璃纤维、玻璃/碳纤维混合等增强材料,通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。

  对于同一种基脂来讲,采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能,并且碳纤维的叶片重量较轻,但是,碳纤维的价格是玻璃纤维的 10 左右。由于价格的因素,碳纤维应用较少。随着叶片长度不断增加,为保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷,风机叶片也采用玻璃/碳纤维混合材料结构,尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位,则使用碳纤维材料。

  目前,世界上主要机型选用的叶片材料主要是以玻璃纤维为主,相应长度采用玻璃/ / 碳纤维混合材料的叶片重量比玻璃纤维轻约 20% 以上。世界上最大的三个机型的叶片主要选用的是玻璃/碳纤维混合增强材料,碳纤维主要应用在叶片前后边缘和横梁盖上。 但是,现在有些厂商在减少碳纤维的应用。如丹麦叶片独立供应商 LM Glassfiber 公司新开发的 73.5 米的长叶片就未应用碳纤维,而西班牙 Gamesa 公司畅销全球的G114-2.0MW 风机则改用玻璃纤维,而上一款 G97-2.0MW则选用了玻璃/碳纤维混合材料。

  4. 叶片制造主要 采 用真空灌注和预浸料工艺。

  目前叶片制造工艺方面,主要工艺是预浸料工艺与真空灌注工艺,手糊制造工艺已基本被取代。传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺(Hand Lay-up)制造。手糊工艺的主要特点是生产效率低、树脂固化程度偏低,适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料的生产。此叶片在使用过程中出现问题往往是由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。

  尽管真空灌注和预浸料工艺都适用于常见设计的叶片结构,但预浸料主要用于箱式梁的叶片结构。真空灌注工艺是真空导入成型方法是先将纤维织物等增强材料铺放在模腔里进行抽真空作业,此时树脂基体在真空压力的作用下被导入模腔来浸渍增强材料。真空导入工艺是闭模成型的,这种工艺污染小、生产效率高,并且制作的叶片产品质量稳定,有助于提高产品的性能、降低制造成本,M LM 公司等大多数厂商使用此工艺。预浸料成型方法是按设计要求的铺层顺序先将预浸料铺放在模具内,然后用真空袋将尚未成型的制件密封,抽真空,以排除在铺层内的气泡、挥发分和袋内的空气,按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型叶片。预浸料成型法可以提高叶片性能、降低叶片质量,对于40m 以上的叶片,丹麦维斯塔斯集团(VESTAS)和西班牙 GAMESA使用预浸料工艺。

  传动链

  传动链(包括轴、齿轮箱(直驱式不含有齿轮箱)、制动器和发电机)作为风电机组最核心的系统之一,在设计、布局、应用分析和安装维护等方面有着极其重大的影响。目前,风电的传动系统根据不同属性分类不同。

  典型的风电发电机根据传动方式主要分为:1、高速齿轮传动,是目前最为流行的方式,通常通过 3-4 级齿轮箱连接发电机;2、中速齿轮传动(混合型),20 世纪 90 年代末提出,通常由 1-2级齿轮箱组成,传动比最高可达 1:30,最低为 1:5;3、低速无齿轮传动(直驱式),是一种风力直驱发电机,免去齿轮箱。

  1. 风电机组功率不断增大

  全球新增发电单机功率呈逐年上升态势,最大机组单机功率为8MW。目前主要是以 1.5MW 到 3MW 以下的机组为主,多兆瓦(≥3MW)发电装机在不断增加。据不完全统计,2015 年,1.5MW 以下的发电机组所占市场份额比 2014 年减少 1.4 个百分点,1.5-2MW 的发电机组占比减少 12 个百分点。而 2-3MW 之间的发电机组市场份额大幅增加,增加了 10 个百分点,多兆瓦的发电机组比例也增加了 3 个百分点。

  中国新增风电装机主要是W1.5MW 和 2MW 风电机组占据主体地位W, 2MW 机组增加显著。中国风电的单机功率已从 2005 年的750~850kW,增加到 2012 年的 1.5~2.0MW,而从 2013 年开始,3MW 及以上型机组数量呈现增长趋势。2014 年,中国新增装机的风电机组平均功率增长 2.81%。在新增风电机组中,1.5MW 和 2MW风电机组占据主体地位,占全国新增装机容量的 87% ,1.5MW 机组市场份额同比下降5%,而 2MW 机组上升 10%。此外,3MW 及以24上机组占到 4%,比 2013年增加了约1%。

  2. 高速齿轮传动为主流

  市场中最流行的传动链主要是以高速齿轮传动为主,1998- -4 2014 年间发布的风电机中有 70% 的传动链是高速齿轮传动系统。直驱式是 1993 年由德国 Enercon 公司研制成功的。2004年,另一家德国公司 Aerodyn 发布了第一个中速齿轮传动系统。

  目前,世界上最大的可商业化生产的高速、中速、和低速传动链的发电机分别是德国 Senvion 的 6.2M126(6.2MW),丹麦 Vestas的V164-8.0MW 和德国 Enercon的 E-126/7580 (7.58MW)。

  3. 以双馈异步发电机和直驱式的永磁同步发电机为主

  目前,高速齿轮传动与双馈异步发电机构建的发电系统主要被广泛应用到功率为 1.5MW-3.5MW;中速主要应用在大型的发电机中,平均功率为 4MW;直驱式的永磁同步发电机被广泛应用到功率在 1.5MW-6MW 之间。

  海上风电

  1、风电机组

  现有海上风电所安装的风电机组基本上是由陆上风电机组改装而来,早起的海上风电场使用的是中小型的风电机组,单机容量为 220-600kw。近期的大型海上风电示范工程主要采用多兆瓦级风电机组,兆瓦级风电机组在尺寸、功率和风的捕获能力等方面都有很大的增加。全球在建项目的风电机组单机容量主要是以 4MW 以上为主要机型,单机容量最高的是英国 Burbo 银行海上风电场和 Walney Island 海上风电场项目,都使用 Vestas V164风电机组,单机容量为 8MW,风轮直径为 164 米。中国在建项目单机容量最高的是申能投资建设的临港海上风电一期示范项目,采用的华锐的 SL128,单机容量为 6MW,风轮直径为 128 米。

  2. 海上风机基础

  基础是风电机组赖以持续稳定工作的平台,是海上风电场的重要组成部分,目前基础的施工和运维费用约占海上风电总投资的 15% -25%。按照基础是否与海床直接接触,可将现有的海上风电基础分为着床式和漂浮式两种结构形式。其中, 着床式基础与陆上风电类似,该基础适用于近海区域(水深小于 50 m), 已被大量应用于目前已建成的海上风电场,技术成熟,经验丰富。而 漂浮式基础的概念来源于深海油气开发平台, 目前主要处于研发和示范阶段, 但适应性较强,与着床式基础相比施工难度较小、运维成本低,因此在发展 海上 风电具有良好的应用前景。

  3. 机组安装

  机组安装技术包括安装平台和安装方式两个部分。目前大部分海上风电机组的运输、吊装、维修主要依托于现有的船舶平台进行。随着离岸距离越来越远及机组功率越来越大,近年来已陆续出现新建或改装的专业化海上风机吊装平台,主要包括传统起重船(自航非自升)、起重安装平台(自升非自航)和自航自升起重船 3 种类型。

  海上风电机组的安装主要包括两种方式:分体安装和整体安装。分体安装施工方法与陆上风电场类似,适用于潮间带及近海区域, 目前运行的多数风电场均按该方法建造;而整体安装则是在岸边将机组各部件装配成一个整体,竖直放臵于运输船运送并安放至目标地点,以减少海况对装配精度的影响,作业费用较低,这种施工方法是近年发展起来的,也已有成功案例。

  4. 发展趋势

  从目前开发趋势来看,未来几年海上风电场的离岸距离将增加到 50km 以上,因此现有的机组基础型式及安装技术势必不能满足新的环境要求。漂浮式基础、整体安装及自航自升式施工平台极有可能成为未来的主流技术。

  最新型技术高空风机

  高空风力发电机,是利用地球在距地面大约 480 米至 12000米的高空风力来发电的装臵。目前主要有两种高空风电的构架方式:第一种是利用氦气球等升力作用,在空中建造发电站,高空发电,然后通过电缆输送到地面;第二种类似“放风筝”,即通过拉伸产生机械能输送到地面,再由发电机转换为电能。目前,高空风能发电公司全球已经有 50 家,欧美知名公司主要有WidLift、Makai Power、Altaeroseergies、KiteGen 等几家,中国有广东高空风能技术有限公司。Makani Power 最新的风电系统发电功率为 600 千瓦,Altaerosenergies 公司研发的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)发电功率为 100 千瓦,广东车载式高空风能发电系统位于芜湖的首个地面型电站—2.5MW试验电站项目目前厂房建设、设备安装基本完成,作为 400MW 项目的前期试验机组。

  无叶机风机

  西班牙公司 Vortex Bladeless 造出了一种新的风机Vortex,完全不需要任何可见的风机扇叶就能发电。Vortex 涡度发电机的原理,在遇到旋涡状的空气流动时,由纤维玻璃和碳纤维制成的机体将会发生振动。不同方向的震动,可以带动风机底部的发电机组产生运动,进而将动能转化为电能。Vortex 除了占地小,对环境的安全影响较低之外,还对风向没有限制。这种风机能够被安装在更小的空间里,迷你型的无叶片风机有12.5米高,4kW,可专为住宅和小型风力能源使用;大型风机有 1MW的机型,可用于大规模发电。

  超导发电机

  超导风机被认为是风电技术通往 10MW 级别及以上的风电机组的唯一路径。由于超导体的零电阻特性解决了散热问题,提升了功率密度。超导技术成功应用于风机行业后,对风电领域来说,将是一种非线性的颠覆式改变,这一应用将大幅度提高发电机功率密度和转矩密度,预计比传统永磁发电机提高至少 50%,风电度电成本有望下降 30%。

  可折叠模块化风机叶片

  美国一个联合科研团队公布了一种可折叠,模块化的风机叶轮设计,被称为“分段超轻变形风轮”(Segmented UltralightMorphing Rotor,SUMR),这种叶片按照下风向进行安装,在危险的天气条件下可以像棕榈树叶一样折叠起来,应用这种设计的叶片能够在实现最大叶片长度的同时实现轻量化,分段设计可让叶片在现场进行安装。当折叠式叶片达到最大长度时,在海面的强大风力吹动下可以发出 50MW 的功率峰值。

  风透镜风机

  这种风透镜风机的设计概念由日本九州大学提出,可像一个透镜聚焦光线一样聚焦气流,圆向内弯曲的圆环包围着风机叶片,可加速空气流动并引导气流方向。

  垂直城市风机

  专为城市设计的垂直风机,周身白色,形似抽象派雕塑并且没有任何旋转叶片。一台 2.0kW 的风机,高 9 米、宽 1.2 米,在5m/s 的风速下年产能为 4250kWh,而噪声不及一部普通洗碗机。

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