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三大技术解决风电发展问题
2013-07-02 来源:中国风能设备网

 
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。
 
我国是一个内陆大国,又是一个海岸线最长的国家,陆地的风速与沿海的风速特点是完全不同的,并且沿海有台风对风电机造成威胁。所以我们在开发风能的技术上应当有所区别,在风电机的设计上应该体现不同的特点,对于陆地风电机应完全侧重提高微风发电性能,对于沿海风电机应完全侧重较高风速的特点,并且要完全具有抗台风能力。也就是说风电机的外形和特点是完全不同的,只有这样才能充分提高陆地和沿海在时间最长、最大风速区间的风能利用率,才能保证风电机的发电时间最长,风电的输出量最稳定,风电的发电量最大,才能保证我国风能的充分利用,才能保证我国风电产业健康发展。所以我们将开发出“陆地微风高效新型风电机”和“沿海抗台风新型高效风电机”。还有大规模风电场建设也是中国创举,中国特色,面临大规模风电机并网这个世界难题,我们将采取“智能火电厂”作为配套措施,并利用惯性储能装置和电控技术来解决这个世界难题。
 
(一)陆地微风高效新型风电机
 
风电开发对我国来说才刚刚起步,风电占全国的用电量还非常小,面对如此巨大的市场,为什么我们的80多家生产企业大部分产能闲置?为什么会出现严重产能过剩?有人认为是电网瓶颈的限制,也有大部分人认为是产业发展过快过热造成的。这些问题与风电产业巨大的发展空间相比,可以说是微不足道的。目前大家都盯着国家和地方的那点风电项目肯定是不行的,我们应该在风电机的推广普及上寻找“突破口”,我国地域辽阔,急需用电、大量用电的地方很多,任何山区、草原、边防站、海岛、勘探单位、企业厂矿,冶炼单位等,这些地方蕴藏着巨大的开发空间,如果这些市场得到开发,都用上大型风电设备,不但可以使这些企业产能得到释放,还可能会??产能不足的问题。所以我们要在风电机的普及推广上下功夫,大幅提高风电机微风发电性能,适合在全国各地推广;大幅降低风电机成本,使风电成本小于火电和水电,提高风电的竞争能力。
 
我国陆地风速较低,有多风地区,但都较偏远,大部分是少风地区,我们要让少风地区也用上风电机,就必须大幅提高微风发电性能。目前欧美的风电技术都是以海洋性气候发展起来的高风速风电机,陆地使用最大的缺点是发电效率太低,三级风以下基本没有发电能力,设计风速是13~15米/秒,也就是要达到七级大风才能满负荷,这样的大风在陆地很罕见。还有风电机的高昂成本也不利于风电机推广普及。提高发电量,降低风电机成本是目前迫切解决的问题。
 
我国风电产业的“突破口”在于生产开发微风高效的新型风电机,这种风电机性能应当是一、二级风就能启动,三四级风就能很好发电,五级风就可以达到满负荷,适合在全国大部分地区推广使用,具有良好的并网稳定性,风电机成本降低60%以上,基本实现免维护,让人人都敢用,人人都好用,并可以实现在三年内收回投资,风电机优良的发电性能和低成本将为风电产业的发展开辟巨大的空间。
 
首先各工矿企业都有安装大型风电设备的需求,如果能一次投资,享受二、三十年的收益,安装风电机的积极性肯定非常高,对于大型冶炼单位,一般都有自己的发电厂,如果能够大量利用风电,起到节能减排的作用,对提高企业效益有很大的帮助,低成本的风电肯定会得到大量推广使用,全国的工矿企业蕴藏着巨大的风电市场,这个市场的规模将比国家投资在建的“陆地三峡”大数倍。我国各地还有无数的火电厂,在电厂周围都可以布满风电机,可以实现风电与火电的互补,并可以随时根据风电调控火电,这对降低火电厂的碳排放是非常有利的,并且投资较小,控制灵活,取得效益显著,这些火电厂周围衍生出来的风电场规模不会小于“陆地三峡”的规模,进一步扩展了风电的发展空间。我国还有分布在山区的数百个水电站,山顶都有很丰富的风能,由于新型风电机可以实现免维护,并且安装方便,成本和安装费用都较低,不需要太大的投资就可以实现规模化运营。风电最大的不足就是具有间歇性,而水电最大的优点就是调控方便,风电和水电可以说是一种完美结合,并将成为风电的一种发展方向,又为风电发展开辟巨大的发展空间。所以,大力发展低成本的适合在全国各地推广的微风高效新型风电机是促进风电产业发展,解决风电产能过剩的“突破口”。
 
(二)沿海抗台风新型高效风电机
 
我国有很长的海岸线,沿海蕴藏着非常丰富的风能资源,由于台风对风电机的破坏很大,严重阻碍了沿海风能的开发。海上风电技术一直都是国外研发的重点,但在抗台风技术上始终没有重大突破,叶片技术和控制技术也没有重大改进,国外在开发海上风能的过程中也遭受了巨大的损失。虽然台风对风能的开发造成了很大的威胁,但仍不能阻挡人们开发海上风电的热情,现在海上风力发电已经悄然兴起。中国海上风能资源储量远大于陆地风能,储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW,而且距离电力负荷中心很近。如果能够得到有效开发,将对我国经济发展提供有力保障,也为节能减排的目标作出贡献。
 
从理论上讲进口风电机组的运行风速达50~60m/s,12级飓风的平均风速是34m/s,也就是说风电机组可以在任何狂风暴雨中运行,强度还有富余。但事实却是残酷的,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。从风电机组控制系统的原理来讲,当风电机处于狂风状态时,可以自动调节风轮叶片自动卸载,使叶片与风向平行,这样叶片受到风的作用力最小,也就抵抗了风的破坏作用。但风电机在台风中损毁,说明风电机的控制技术还不稳定和可靠,并存在严重缺陷。
 
现有叶片都非常巨大,大型叶片带来的巨大风载是造成风电机不稳定和强破坏性的罪魁祸首,严重影响了风电机的正常使用,带来高额维护费用也是风电产业无法承受的,特别是沿海风电机会受到台风的严重损毁,造成的损失是巨大的。还有控制系统的滞后性也是造成沿海风电机在台风中损毁的主要原因。我们要解决抗台风问题,就必须解决高风载问题和控制系统的滞后性问题。而现有叶片的高风载是无法改变的,叶片的性能决定了高风载的特性,仅靠改进无法改变高风载特性。我们现在应该做的就是彻底改变风电机结构,只有改变叶片高风载的破坏力,才能保证风电机的稳定和安全,才能解决风电机的抗台风问题。还有控制系统的滞后性问题,将控制系统改的更灵敏是不是就可以改变控制滞后的问题?答案是否定的。搞风电研究的人对风向标都非常熟悉,自然界中风向的变化是很快的,风电机很庞大,不可能在短时间完成调整过程。反而言之,就是我们做到了很灵敏,偏航装置和变浆矩装置在台风中不停进行调整工作,长时间的超负荷运转,会造成控制装置的发热,发热就会导致控制装置自动停机,变桨距装置担负着叶片的卸载功能,如果停止工作,叶片就会受到强大风载的作用,并对风电机造成强烈冲击,造成风电机的损坏。如果不停机,控制装置就会发热烧毁,导致叶片控制失灵,失去卸载功能,最终仍然使风电机遭到冲击破坏。所以,现有控制系统是不能满足在台风状态进行卸载功能的。
 
我们要开发抗台风风电机,首先要解决叶片的强风载问题,采用小型叶片涡轮是提高抗风强度的最有效方法,小型叶片涡轮又有获取风能效率低的缺点,为了克服这个缺点,我们可以采用增加叶片涡轮数量的方法提高风能获取效率,由于小叶片涡轮受风面积很小,所受风载也很小,可以保证叶片不会在台风中损坏,风电机有几十个小叶片涡轮,它们所受风力是分散均匀的,不会对风电机造成冲击破坏,可以大幅提高风电机的抗风能力。我们还要解决风电机控制系统的滞后性问题,在风速和风向变化很大的情况下,任何的控制系统都是对装置的束缚和限制,最好的办法是顺其自然,靠风力自动调整风向,这样的调整才最准确、最及时,受到的风力也会最小。所以我们要省掉偏航装置和变浆矩装置,风电机靠风力完成调整风向的过程,不会存在滞后性,也不会存在故障,并使结构得到简化,成本得到降低。核电还有气电,智能电网可以相互协调、相互补充、相互平衡,是非常强大的智能电网。但由于风电机的并网稳定性没有保证,所以仍采用分散入网的方式,风电场规模都较小,当风速和风向变化很大时,风电机不稳定,不能满足并网条件,此时风电机可以随时脱网;风电机稳定后,又可以随时入网,不会对电网造成太大的冲击。象丹麦等国虽然风电占20~30%,但都是分散接入,并制订风电并网导则严格规定了接入点的风机数量和容量,并规定接入和退出的标准,丹麦国家电网公司每天会从三个不同的气象预报公司接收四次天气预报,然后利用先进的软件系统预测何时天气预报所述的风力变化会影响到风机,以及分析这些变化对整个电力系统带来的影响,进行快速的人工干预。但是,实际风速和预测风速完全吻合的情况很少。这种被动的、不准确的控制方式对我国肯定是不适用的,我国大型的风电场瞬间产生的冲击电流就足以让电网瘫痪,不可能有时间进行人工干预。所以大规模并网国外也没有成功经验可以借鉴,我们也不可能建成比欧洲还强大的智能电网,就是建成了也不能解决并网问题。
 
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500~600台风电机组,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,1万千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,实际的风速变化要大很多,而且风向的变化对风电机功率的影响比风速还要大。所以,实际使用中的冲击能量要比这个值大很多,将是非常惊人的,我们必须认真对待。
 
(三)大规模风电机的并网
 
大规模风电机并网产生的大量峰值电流是影响电网安全的最大威胁,要解决大规模风电机的并网问题,必须解决风电的峰值电流对并网稳定性的影响!解决并网问题仅用智能电网的方式很难解决,风电产生的强大峰值电流要被缓冲和吸收,就必须接入一个足够强大的负载,火电厂是一个强大的发电源,我们也可以将火电厂变成一个强大的负载,来吸收风电的冲击电流。智能火电厂不仅能起到补充水源的作用,而且能起到水库的作用,对洪水起到缓冲和吸收的作用。
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