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美国能源部20%风能目标可行性报告:风电技术现状及其发展趋势

供稿人:吴春莹  供稿时间:2008-10-21   关键字:美国  能源部  风力发电技术  
编者按:美国能源部20%风能目标可行性报告的“风力发电机技术”章节,重点描述风电技术的现状,介绍过去30年技术发展的简史,讨论大规模陆上风力发电机的未来改进以及海上风电技术,并述及分布式风电技术。本文对此章节内容作一简介,以飨读者。
 
当前的涡轮机技术使得风能已成为能源市场的一种切实可行的能量来源。即便如此,风能在整个美国电力生产中仅占大约1%。目前,推进涡轮机技术发展的研究正在进行,这有望提高风力发电的比例。研究领域包括:降低资本成本,提高容量因子,以及通过改进系统可靠性来减小风险。随着研究、开发和示范(RD&D)的深入,这些新发展将可能在未来10年对商业生产线产生显著影响。
 
(一) 当今的商业风电技术
源于上世纪70年代末期现代风力驱动发电机的诞生,风电技术发展至今已得到显著的改进。资本成本降低,效率提高,可靠性也得到改善。目前,高质量产品通过主要的风电机供应商日常输送到世界各地,完备的风力发电装置正设计并入网格基础设施以满足公共事业的需求。在本报告提出的20%风能目标中,假设资本成本将在未来20年减少10%,容量因子将增加大约15%(对应风电装置年产能15%的增长)。
●现代风力发电机
目前世界范围内应用的现代风力发电机,在高度为60m-80m的塔顶上装置直径70m-80m的三叶转子。通常,涡轮机在风速约为5.36m/s开始产出能量,在风速约为12.52m/s-13.41m/s达到最大能量输出。当风速约为22.35m/s时,风力机将倾斜或顺流交距叶片,以中止能量产出和转动。多数大规模风力机为逆风机械,这意味着它们采用叶片逆风运转来消除塔产生的阻碍。
 
通过涡轮机获取的可利用风能中,能源数量随风速立方增长;由此,风速增大10%,可利用能源则增长33%。然而,涡轮机仅能捕获这一能源的一部分,超过电力系统设计水平(额定功率)的能量,经由转子通过。
 
通常,风速随地面以上的高度增加而增大,这就是工程师在将材料成本降至最低限度的同时,寻找途径以增加风力涡轮机高度和尺寸的原因。然而,与过去不同,未来对陆上涡轮机的尺寸已不再预期高速发展。更大规格的涡轮机虽然物理可行,但通过高速公路运输部件和应用大型起重机提升部件的物流制约成为难以逾越的主要经济屏障。许多涡轮机的设计者不希望陆上涡轮机的转子直径远大于100m,相应的功率输出约为3MW 至5MW。
 
●风电装置性能
商用涡轮机的性能已得到逐年改善,其容量因子也随之缓慢提高。图1显示了1998至2005年商业运行日期(CODs)的容量因子。数据表明,劳伦斯伯克力国家实验室(Berkeley Lab)数据库中在1998年之前开始商业运行的涡轮机,平均容量因子大约为22%。而在1998年之后开始商业运行的涡轮机,呈现容量因子增长的趋势,在2004和2005年达到36%。
 
图1
(二) 未来的技术改进
技术改进将有助于应对20%风能目标中包涵的成本和性能挑战。必需的技术改进相对简单明了:更高的塔架、更大的转子以及设计和制造业学习曲线的连续进程。没有单一的部件或设计革新能够满足技术改进的需求。然而,通过结合一系列特定的技术革新,风能行业能够引入成功所必备的新式先进构造。20%风能目标的实现,并不需要所有领域全面开花;即使仅完成部分技术革新,仍可取得进展。表1概括了技术改进的潜在领域。
 
表1
 
技术领域
潜在发展
性能和成本增量
(最大/预期/最小百分比)
年发电量
涡轮机资本成本
先进的塔架概念
◇在不利位置安装更高的塔架
◇新材料和/或工序
◇先进的结构/基础
◇自装配
+11/+11/+11
+8/+12/+20
先进的(放大)转子
◇先进材料
◇改进的结构-空中设计
◇主动控制
◇被动控制
◇更高的端速/更低的噪音
+35/+25/+10
-6/-3/+3
减少能量损失,改善可靠性
◇减少叶片脏污损失
◇耐破损传感器
◇耐用的控制系统
◇预测性维护
+7/+5/0
0/0/0
动力传动系统(变速箱、发电机和电力电子器件)
◇更少的齿级或直接驱动
◇中等/低速发电机
◇分布式变速箱布局
◇永磁发电机
◇中等电压设备
◇先进的齿轮齿构造
◇新式电路布局
◇新式半导体装置
◇新材料(砷化镓、碳化硅)
+8/+4/0
-11/-6/+1
制造业和学习曲线
◇持续、递增的设计和工序改进
◇大规模制造
◇减小设计载荷
0/0/0
-27/-13/-3
合计
 
+61/+45/+21
-36/-10/+21
 
(三)海上风电技术
海上风电装置具备分布广阔的丰富资源以及具有成本竞争力的经济潜力,这将使其在满足美国未来能源需求中发挥重要作用。海上风电的商业化面临许多技术、法规、社会经济学和政治屏障,其中一些可通过短期和长期的靶向性研究、开发和示范(RD&D)成果得到缓解。
 
●短期RD&D选项
I.        对海上风力资源的全面评估
II.      制订认证方法和标准
III.    发展设计规范、工具和方法
IV.    安置涡轮机并设计布局
V.      开发集风力、海平面温度以及其他气候数据于一体的混合风速数据库
●长期RD&D选项
I.        海上作业最小化
II.      改进制造、安装和配置方案
III.    结合海上服务和可及性要素
IV.    开发廉价的底座、锚定系统和系泊
V.      应用资源模型和远程剖面系统
VI.    提高海上涡轮机的可靠性
VII.  评估超大海上涡轮机的潜力
 
(四)分布式风电技术
对于功率低于20kW的分布式风电技术(DWT)系统,近期取得的重大进展包含以下几个方面:
 
●备选的动力和载荷控制方案:包括soft-stall转子转速控制、恒速运行、变节距叶片、铰接叶片、机械制动器等,提供更为安全和静音的涡轮机;
 
●先进的叶片制造方法:包括注射、压制和反应注射成型,其优点在于缩短制作时间、降低零件成本、提高可重复性和均一性等;
 
●稀土永磁体:可以得到更加密实和轻质的发电机设计;
 
●减小发电机齿槽转矩:可降低切入风速,提高低风速涡轮机的性能;
 
●感应发电机:这一方法常见于上世纪80年代早期,可避免使用电力电子器件,后者会增加成本和复杂性,并降低可靠性;
 
●并网逆变器:一个新的发展趋势是取得美国保险商实验室(Underwriters Laboratories)和其他遵照国家互连标准的实验室的认证;
 
●降低转子转速:目的在于减小噪音,由此探求降低周速比和转子最高转速的涡轮机设计;
 
●设计标准和认证:相应的标准和认证包括IEC 61400-2和AWEA 1997-2006。
 
(五)风电技术发展需求概述
20%风能目标假设风力发电将成为一种不需特惠的税收补贴而具有成本竞争优势的发电技术。行业可将RD&D力量集中在最需频繁维修的领域,具体维修类型见图2。
 
图2
 
促进技术改进的引入还包括:
●通过增加塔架高度和转子尺寸提高容量因子,并开发先进的控制器和改进的动力系统;
●通过制造业革新驱动学习曲线稳步改进,由此降低资本成本。

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