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盘点全球12项风电制造技术发展特点

来源:英大网    发布时间:2013-12-20 15:01:23 

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  1、产业集中是总的趁势

  2009年,世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球78.7%的市场份额,世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球88.1%的市场份额,丹麦VESTAS、美国GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风这前5家企业,就占据了国内外49.8%市场份领。可以看出:世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面。

  近几年,风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购-Multibrid;丹麦的Vestas公司兼并NEG.Micon公司;美国GE公司收购了德国安然风电公司;Siemes公司收购了丹麦AN/Bonus和德国winergy AG公司;印度Suzlon公司控股了Repower公司;金风科技收购了德国Vensys公司;

  湘电股份1000万欧元收购荷兰达尔文公司;中复连众收购了德国NOI公司;中航惠腾2009年收购了荷兰CTC叶片公司;美国GE公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能(沈阳)公司和哈电通用风能(江苏)公司。此外,各大公司在主要市场集中地都建立了生产基地,一个大公司相当于多个公司的集成。

  2、水平轴风电机组技术成为主流

  水平轴风电机组技术,因其具有风能转换效率高、转轴较短,在大型风电机组上更显出经济性等优点,使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型,并占到95%以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高,启动、停机和变桨困难等问题,目前市场份额很小、应用数量有限,但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点,近年来,国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。

  3、风电机组单机容量持续增大

  近年来,世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大,随着单机容量不断增大和利用效率提高,世界上主流机型已经从2000年的500^-1000kW增加到2009年的2-31VM。

  我国主流机型已经从2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW, 2009年我国陆地风电场安装的最大风电机组为2MW。

  近年来,海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展,2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到6MW,风轮直径达到127m。目前,已经开始8-10MW风电机组的设计和制造。我国华锐风电的3MW海上风电机组已经在上海东海大桥海上风电场成功投入运行, 5MW海上风电机组已在2010年10月底下线。目前,华锐、金风、东汽、国电联合、湖南湘电、重庆海装等公司都在研制5MW或6MW的大容量风电机组。

  4、变桨变速功率调节技术得到广泛采用

  由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点,近年在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展,大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术,并开发出了变桨变速风电机组,使得在风能转换上有了进一步完善和提高。2009年,在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组采用了变桨变速方式,而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中,也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用三个独立的电控调桨机构,通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

  5、双馈异步发电技术仍占主导地位

  以丹麦Vestas公司的V80. V90为代表的双馈异步发电型变速风电机组,在国际风电市场中所占的份额最大。德国Repower公司利用该技术开发的机组单机容量已经达到5MW。西门子公司、德国Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美国GE风能公司和印度Suzlon公司都在生产双馈异步发电型变速风电机组,2009年新增风电机组中,双馈异步发电型变速风电机组仍然占80%以上。目前,欧洲正在开发10MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组。

  我国内资企业华锐风电、东方气轮机、国电联合动力、广东明阳等企业也在生产双馈异步发电型变速风电机组。2009年我国新增风电机组中,双馈异步发电型变速风电机组仍然占82%以上。目前,我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经投入运行。

  6、直驱式、全功率变流技术得到迅速发展

  无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障,可有效提高系统的运行可靠性和寿命,减少维护成本,因而得到了市场的青睐。采用无齿轮箱系统的德国Enercon公司在2009年仍然是德国、葡萄牙风电产业的第一大供应商和印度风电产业的第二大供应商,在新增风电装机容量中,Enercon公司已占本国市场份额的55%以上。西门子公司已经在丹麦的西部安装了两台3.GMW的直驱式风电机组,这两台风力机正处于试运行阶段。其他主要制造企业也在积极开发研制直驱风电机组。我国新疆金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1.5MW直驱式风电机组,已有上千台安装在风电场。

  金风科技在2009年是我国风电市场的第二大供应商。同时,我国湘电公司的2MW直驱风电机组也已批量进入市场。其他如:广西银河艾迈迪、航天万源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德公司、山东鲁能等制造企业也开发研制了直驱风电机组。2009年新增大型风电机组中,直驱式风电机组已超过17%。

  伴随着直驱式风电系统的出现,全功率变流技术得到了发展和应用。应用全功率变流的并网技术,使风轮和发电机的调速范围扩展到。至150%的额定转速,提高了风能的利用范围。由于全功率变流技术对低电压穿越技术有很好且简单的解决方案,对下一步发展占据了优势。与此同时,半直驱式风电机组也开始出现在世界风电市场上。在轴承支撑方式上,单个迥转支承轴承代替主轴和两轴承成为某些2兆瓦以上机组的选择,如:富兰德的2.5兆瓦风机,这说明无主轴系统正在成为欧洲风电机组发展的一个新动向。

  7、大型风电机组关健部件的性能日益提高

  随着风电机组的单机容量不断增大,各部件的性能指标都有了提高,国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机,使发电机效率进一步提高;高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗,使逆变效率达到98%以上;某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化,如德国ENERCON公司在改进桨叶后使叶片的 Cp值达到了0.5以上。从2007年胡苏姆风能展的情况看,欧洲风电设备的产业链已经形成,为今后的快速发展奠定了基础。

  我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步,如南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大重减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业生产的大型风电机组齿轮箱,供货能力充足,质量已有明显提高;保定惠腾、连云港中复连众和中材科技已能生产长达48.8m,与3兆瓦风电机组配套的大尺寸叶片,兰州电机厂生产的发电机等产品质量都有很大提高。从2009年上海第四届风能展的情况看,我国风电设备的产业链已经形成,为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势,不仅能满足国内市场需求,而且已经向国际市场供货。

  北京科诺伟业能源科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、龙源电气、九州电气和禾旺电气等10多家企业已具备兆瓦级风电机组变流器研发、生产和供货能力。

  8、智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命

  鉴于风电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响风电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一,近年来,风电机组制造厂家与有关研究部门积极研究风电机组的最优运行和控制规律,通过采用智能化控制技术,与整机设计技术结合,努力减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷,并逐步成为风电控制技术的主要发展方向。

  9、叶片技术发展趋势

  随着风电机组尺寸的增大,叶片的长度也变得更长,为了使叶片的尖部不与塔架相碰,设计的主要思路是增加叶片的刚度。为了减少重力和保持频率,则需要降低叶片的重量。好的疲劳特性和好的减振结构有助于保证叶片长期的工作寿命。

  额外的叶片状况检测设备将被开发出来并安装在风电机组上,以便在叶片结构中的裂纹发展成致命损坏之前或风电机组整机损坏之前警示操作者。对于陆上风电机组来说,不久这种检测设备就会成为必备品。

  为了增加叶片的个刚度并防止它由于弯曲而碰到塔架,在长度大于50米的叶片上将广泛使用强化碳纤维材料。

  为了方便兆瓦级叶片的道路运输,某些公司已经把叶片制作成两段。例如德国Enercon公司的E126 6MW风电机组的叶片由内、外两段叶片组成,靠近叶根的内段由钢制造,外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。

  智力材料例如压电材料将被使用以使叶片的气动外形能够快速变化。

  为了减少叶片和整机上的疲劳负荷,可控制的尾缘小叶可能被逐步引入叶片市场。

  热塑材料的应用:LM Glasfibre公司正开展一项耗资8百万欧元的研究项目,目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝去制造叶片。一旦这种纱丝铺进模具,加热模具到一定温度后,塑料就会融化,并将纱丝转化为合成材料,这可能会使叶片生产时间缩短50%。

  10、风电场建设和运营的技术水平日益提高

  随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量的越来越高的要求,国外已经针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址,特别是选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究,取得了重大进步,预测精确度可达90%以上。

  11、恶劣气侯环境下的风电机组可靠性得到重视

  由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴,东南沿海具有台风、盐雾,西南地区具有高海拔等恶劣气候特点,恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响,包括增加维护工作量,减少发电量,严重时还导致风电机组损坏。因此,在风电机组设计和运行时,必须具有一定的防范措施,以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力,减少损失。因此,今年来中国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手进行了研究,以确保风电机组在恶劣气候条件下能可靠运行,提高发电量。

  12、低电压穿越技术得到应用

  随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大,风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话,将严重影响电力系统的运行稳定性。因此,随着接入电网的风力发电机容量的不断增加,电网对其要求越来越高,通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行(fault ride-through),并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行,也就是说,要求风电机组具有一定低电压穿越(lowvoltage ride-through)能力。随着风力发电装机容量的不断增大,很多国家的电力系统运行导则对风电机组的低电压穿越(LVRT)能力做出了规定。我国的风电机组在电网电压跌落情况下,也必须采取相应的应对措施,确保风电系统的安全运行并实现LVRT功能。目前,我国已有多家企业的风电机组产品通过了低电压穿越性能试验。
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