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學術論文

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【技術】全球新能源技術之風電篇

新能源的迅猛發展,依靠的是不斷進步的技術。在風電領域,海上風電的漂浮式基礎、整體安裝等極有可能成為未來的主流技術。

近年來,風力發電技術愈加成熟,單機容量持續增加,風電機組技術也隨著發生重大變革,從失速調節發展到變槳調節,從定速運行發展到變速運行,從齒輪箱傳動發展到無齒輪箱直驅技術。風電機組的發電效率和可靠性不斷增加,運行維護成本也得到顯著降低。

部件構成及工作原理

風電是風能轉化為機械能進而機械能再轉化為電能的過程。風力發電有橫軸型風力發電系統和垂直軸型風力發電系統兩種。

目前商用大型風力發電系統一般為水平軸風力發電機,它由風輪(包括葉片和輪轂)、傳動鏈(包括軸、齒輪箱(直驅式不含有齒輪箱)、制動器和發電機)、偏航裝臵、控制系統、塔架等部件所組成(圖 2-1)。風輪和傳動系統是風電系統中的核心部件。

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典型現代水平帶齒輪裝臵的風電機系統部件構成風電系統的工作原理是風輪葉片在風的作用下,使得整個風輪形成了扭轉、傾覆和偏轉運動。扭轉的主軸(低速軸)將會傳遞風輪扭矩到齒輪箱的一級行星齒輪上,而一級行星齒輪將通過二級平行軸齒輪傳遞扭轉,使得低轉速大扭矩的載荷轉化為高轉速低扭矩的載荷,便于發電機的吸收;最后電機軸(高速軸)上的扭矩將通過切割電磁形成電能,完成風能—機械能—電能的轉化。由于風向經常變化,為了有效地利用風能,必須要有迎風裝臵,它根據風向傳感器測得的風向信號,由控制器控制偏航電機,驅動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉動,使機艙始終對風。


關鍵技術

風輪

風輪是風電系統的關鍵部件之一,占機組總體成本的 20%。影響風電性能的因素主要有風輪直徑、結構設計、葉片材料、葉片制造工藝等。

1. 過去10年風輪直徑增長迅速,捕風能力增強。
風輪直徑影響掃風面積,也就決定了捕風能力。近幾年,為滿足低風速地區和海上風電的開發需求,葉片的長度不斷增長。中國 2014 和 2015 年安裝和投運的機組中,風輪直徑在 93 米及以上的 1.5MW 機組占絕大多數,而 2008 年以前,是以 70 米以下風輪直徑的 1.5MW 型機組為主。近三年,風輪直徑為 100-121米的 2MW 機組陸續問世,并相繼成為主流機型。2008 年之前,風輪直徑沒有超過 100 米的,但從 2009 年以后,美國大葉片占據市場的主導地位,到 2012 年,47%的新增裝機的風輪直徑超過100 米,到 2014 年,80%的新增裝機的風輪直徑是 110 米或者更長。

目前,全球最長的風輪直徑是 190 米,是美國能源技術公司設計的 SeaTitan 10MW 的風電機組(樣機正在制造中),其次是三星功率為 7MW 的 S7.0-171,風輪直徑是 171 米。

未來風電機組將繼續向大功率、大葉片的方向發展。根據歐盟資助項目 UPWIND 研究表明,開發 20MW 的風力發電機,葉片長度 120 米是可行的。

2. 葉片結構設計優化,性能不斷提高

結構設計是在保證強度、剛度以及氣動性能的前提下,對材料做出選擇,對葉片截面的尺寸、形狀進行設計和優化,以獲取性能好而重量輕的葉片。

第一,在風電機組根部、迎風面等位臵黏貼組件,可以改善葉片的氣動性能、抑制失速,提高風能利用系數,減少噪音等。通過添加渦流發生器可阻止面內流動分離和穩定面外流動,抑制葉片表面氣流失速現象;格尼襟翼調節葉片特殊運行條件下的載荷并獲得更高發電量;在葉尖下添加小翼可提升發電量并減少噪音;或者在后緣加上鋸齒設計可改變尾渦結構,進而減少噪音。

第二,為了方便WMW級葉片的運輸和方便生產,部分企業已研究出葉片分段技術,F階段,大部分企業分段葉片主要是 2 段,西班牙 Gamesa 公司和德國 Enercon 公司已經商業化生產兩段葉片,美國的 Modular 風電公司 3 段葉片技術設計完成。

3. 增強材料以玻璃纖維為主,高成本限制碳纖維的使用。

目前的風電葉片的原材料主要使用環氧樹脂、聚酯樹脂等與玻璃纖維、玻璃/碳纖維混合等增強材料,通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成。

對于同一種基脂來講,采用玻璃纖維增強的復合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復合材料制造的葉片的性能,并且碳纖維的葉片重量較輕,但是,碳纖維的價格是玻璃纖維的 10 左右。由于價格的因素,碳纖維應用較少。隨著葉片長度不斷增加,為保證葉片能夠安全的承擔風溫度等外界載荷,風機葉片也采用玻璃/碳纖維混合材料結構,尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位,則使用碳纖維材料。

目前,世界上主要機型選用的葉片材料主要是以玻璃纖維為主,相應長度采用玻璃/ / 碳纖維混合材料的葉片重量比玻璃纖維輕約  20% 以上。世界上最大的三個機型的葉片主要選用的是玻璃/碳纖維混合增強材料,碳纖維主要應用在葉片前后邊緣和橫梁蓋上。 但是,現在有些廠商在減少碳纖維的應用。如丹麥葉片獨立供應商 LM Glassfiber 公司新開發的 73.5 米的長葉片就未應用碳纖維,而西班牙 Gamesa 公司暢銷全球的G114-2.0MW 風機則改用玻璃纖維,而上一款 G97-2.0MW則選用了玻璃/碳纖維混合材料。

4. 葉片制造主要 采 用真空灌注和預浸料工藝。

目前葉片制造工藝方面,主要工藝是預浸料工藝與真空灌注工藝,手糊制造工藝已基本被取代。傳統復合材料風力發電機葉片多采用手糊工藝(Hand Lay-up)制造。手糊工藝的主要特點是生產效率低、樹脂固化程度偏低,適合產品批量較小、質量均勻性要求較低復合材料的生產。此葉片在使用過程中出現問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。

盡管真空灌注和預浸料工藝都適用于常見設計的葉片結構,但預浸料主要用于箱式梁的葉片結構。真空灌注工藝是真空導入成型方法是先將纖維織物等增強材料鋪放在模腔里進行抽真空作業,此時樹脂基體在真空壓力的作用下被導入模腔來浸漬增強材料。真空導入工藝是閉模成型的,這種工藝污染小、生產效率高,并且制作的葉片產品質量穩定,有助于提高產品的性能、降低制造成本,M LM  公司等大多數廠商使用此工藝。預浸料成型方法是按設計要求的鋪層順序先將預浸料鋪放在模具內,然后用真空袋將尚未成型的制件密封,抽真空,以排除在鋪層內的氣泡、揮發分和袋內的空氣,按最佳的固化工藝參數在熱壓罐內固化成型葉片。預浸料成型法可以提高葉片性能、降低葉片質量,對于40m 以上的葉片,丹麥維斯塔斯集團(VESTAS)和西班牙 GAMESA使用預浸料工藝。

傳動鏈

傳動鏈(包括軸、齒輪箱(直驅式不含有齒輪箱)、制動器和發電機)作為風電機組最核心的系統之一,在設計、布局、應用分析和安裝維護等方面有著極其重大的影響。目前,風電的傳動系統根據不同屬性分類不同。

典型的風電發電機根據傳動方式主要分為:1、高速齒輪傳動,是目前最為流行的方式,通常通過 3-4 級齒輪箱連接發電機;2、中速齒輪傳動(混合型),20 世紀 90 年代末提出,通常由 1-2級齒輪箱組成,傳動比最高可達 1:30,最低為 1:5;3、低速無齒輪傳動(直驅式),是一種風力直驅發電機,免去齒輪箱。

1.  風電機組功率不斷增大

全球新增發電單機功率呈逐年上升態勢,最大機組單機功率為8MW。目前主要是以 1.5MW 到 3MW 以下的機組為主,多兆瓦(≥3MW)發電裝機在不斷增加。據不完全統計,2015 年,1.5MW 以下的發電機組所占市場份額比 2014 年減少 1.4 個百分點,1.5-2MW 的發電機組占比減少 12 個百分點。而 2-3MW 之間的發電機組市場份額大幅增加,增加了 10 個百分點,多兆瓦的發電機組比例也增加了 3 個百分點。

中國新增風電裝機主要是W1.5MW 和 2MW 風電機組占據主體地位W, 2MW 機組增加顯著。中國風電的單機功率已從 2005 年的750~850kW,增加到 2012 年的 1.5~2.0MW,而從 2013 年開始,3MW 及以上型機組數量呈現增長趨勢。2014 年,中國新增裝機的風電機組平均功率增長 2.81%。在新增風電機組中,1.5MW 和 2MW風電機組占據主體地位,占全國新增裝機容量的 87% ,1.5MW 機組市場份額同比下降5%,而 2MW 機組上升 10%。此外,3MW 及以24上機組占到 4%,比 2013年增加了約1%。

2.  高速齒輪傳動為主流

市場中最流行的傳動鏈主要是以高速齒輪傳動為主,1998- -4 2014  年間發布的風電機中有  70% 的傳動鏈是高速齒輪傳動系統。直驅式是 1993 年由德國 Enercon 公司研制成功的。2004年,另一家德國公司 Aerodyn 發布了第一個中速齒輪傳動系統。

目前,世界上最大的可商業化生產的高速、中速、和低速傳動鏈的發電機分別是德國 Senvion 的 6.2M126(6.2MW),丹麥 Vestas的V164-8.0MW 和德國 Enercon的 E-126/7580 (7.58MW)。

3.  以雙饋異步發電機和直驅式的永磁同步發電機為主

目前,高速齒輪傳動與雙饋異步發電機構建的發電系統主要被廣泛應用到功率為 1.5MW-3.5MW;中速主要應用在大型的發電機中,平均功率為 4MW;直驅式的永磁同步發電機被廣泛應用到功率在 1.5MW-6MW 之間。

海上風電

1、風電機組

現有海上風電所安裝的風電機組基本上是由陸上風電機組改裝而來,早起的海上風電場使用的是中小型的風電機組,單機容量為 220-600kw。近期的大型海上風電示范工程主要采用多兆瓦級風電機組,兆瓦級風電機組在尺寸、功率和風的捕獲能力等方面都有很大的增加。全球在建項目的風電機組單機容量主要是以 4MW 以上為主要機型,單機容量最高的是英國 Burbo 銀行海上風電場和 Walney Island 海上風電場項目,都使用 Vestas V164風電機組,單機容量為 8MW,風輪直徑為 164 米。中國在建項目單機容量最高的是申能投資建設的臨港海上風電一期示范項目,采用的華銳的 SL128,單機容量為 6MW,風輪直徑為 128 米。

2. 海上風機基礎

基礎是風電機組賴以持續穩定工作的平臺,是海上風電場的重要組成部分,目前基礎的施工和運維費用約占海上風電總投資的 15% -25%。按照基礎是否與海床直接接觸,可將現有的海上風電基礎分為著床式和漂浮式兩種結構形式。其中, 著床式基礎與陸上風電類似,該基礎適用于近海區域(水深小于 50 m), 已被大量應用于目前已建成的海上風電場,技術成熟,經驗豐富。而 漂浮式基礎的概念來源于深海油氣開發平臺, 目前主要處于研發和示范階段, 但適應性較強,與著床式基礎相比施工難度較小、運維成本低,因此在發展 海上 風電具有良好的應用前景。

3. 機組安裝

機組安裝技術包括安裝平臺和安裝方式兩個部分。目前大部分海上風電機組的運輸、吊裝、維修主要依托于現有的船舶平臺進行。隨著離岸距離越來越遠及機組功率越來越大,近年來已陸續出現新建或改裝的專業化海上風機吊裝平臺,主要包括傳統起重船(自航非自升)、起重安裝平臺(自升非自航)和自航自升起重船 3 種類型。

海上風電機組的安裝主要包括兩種方式:分體安裝和整體安裝。分體安裝施工方法與陸上風電場類似,適用于潮間帶及近海區域, 目前運行的多數風電場均按該方法建造;而整體安裝則是在岸邊將機組各部件裝配成一個整體,豎直放臵于運輸船運送并安放至目標地點,以減少海況對裝配精度的影響,作業費用較低,這種施工方法是近年發展起來的,也已有成功案例。

4.  發展趨勢

從目前開發趨勢來看,未來幾年海上風電場的離岸距離將增加到 50km 以上,因此現有的機組基礎型式及安裝技術勢必不能滿足新的環境要求。漂浮式基礎、整體安裝及自航自升式施工平臺極有可能成為未來的主流技術。


最新型技術高空風機

高空風力發電機,是利用地球在距地面大約 480 米至 12000米的高空風力來發電的裝臵。目前主要有兩種高空風電的構架方式:第一種是利用氦氣球等升力作用,在空中建造發電站,高空發電,然后通過電纜輸送到地面;第二種類似“放風箏”,即通過拉伸產生機械能輸送到地面,再由發電機轉換為電能。目前,高空風能發電公司全球已經有 50 家,歐美知名公司主要有WidLift、Makai Power、Altaeroseergies、KiteGen 等幾家,中國有廣東高空風能技術有限公司。Makani Power 最新的風電系統發電功率為 600 千瓦,Altaerosenergies 公司研發的高空風電系統“空中浮動渦輪”(BAT)發電功率為 100 千瓦,廣東車載式高空風能發電系統位于蕪湖的首個地面型電站—2.5MW試驗電站項目目前廠房建設、設備安裝基本完成,作為 400MW 項目的前期試驗機組。

無葉機風機

西班牙公司 Vortex Bladeless 造出了一種新的風機Vortex,完全不需要任何可見的風機扇葉就能發電。Vortex 渦度發電機的原理,在遇到旋渦狀的空氣流動時,由纖維玻璃和碳纖維制成的機體將會發生振動。不同方向的震動,可以帶動風機底部的發電機組產生運動,進而將動能轉化為電能。Vortex 除了占地小,對環境的安全影響較低之外,還對風向沒有限制。這種風機能夠被安裝在更小的空間里,迷你型的無葉片風機有12.5米高,4kW,可專為住宅和小型風力能源使用;大型風機有 1MW的機型,可用于大規模發電。

超導發電機

超導風機被認為是風電技術通往 10MW 級別及以上的風電機組的唯一路徑。由于超導體的零電阻特性解決了散熱問題,提升了功率密度。超導技術成功應用于風機行業后,對風電領域來說,將是一種非線性的顛覆式改變,這一應用將大幅度提高發電機功率密度和轉矩密度,預計比傳統永磁發電機提高至少 50%,風電度電成本有望下降 30%。

可折疊模塊化風機葉片

美國一個聯合科研團隊公布了一種可折疊,模塊化的風機葉輪設計,被稱為“分段超輕變形風輪”(Segmented UltralightMorphing Rotor,SUMR),這種葉片按照下風向進行安裝,在危險的天氣條件下可以像棕櫚樹葉一樣折疊起來,應用這種設計的葉片能夠在實現最大葉片長度的同時實現輕量化,分段設計可讓葉片在現場進行安裝。當折疊式葉片達到最大長度時,在海面的強大風力吹動下可以發出 50MW 的功率峰值。

風透鏡風機

這種風透鏡風機的設計概念由日本九州大學提出,可像一個透鏡聚焦光線一樣聚焦氣流,圓向內彎曲的圓環包圍著風機葉片,可加速空氣流動并引導氣流方向。

垂直城市風機

專為城市設計的垂直風機,周身白色,形似抽象派雕塑并且沒有任何旋轉葉片。一臺 2.0kW 的風機,高 9 米、寬 1.2 米,在5m/s 的風速下年產能為 4250kWh,而噪聲不及一部普通洗碗機。



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