《科技创新与品牌》杂志社创新成果

中国兆瓦级风机发展新突破

        自2005年2月16日《京都议定书》正式生效以来,全球产业发生了本质的变化,关注清洁能源成为市场的共识,各国政府把发展可再生能源作为减缓气候变化的主要途径。


1.5兆瓦级抗台风型风机1.5兆瓦级抗台风型风机

风机机舱风机机舱


        风能资源丰富

        作为可再生资源,风能储量非常丰富。据估计,世界风能资源高达每年53万亿千瓦时,预计到2020年世界电力需求会上升至每年25.578万亿千瓦时。也就是说,全球可再生的风能资源是整个世界预期电力需求的2倍。同样,我国也拥有可供大规模开发利用的风能资源。据初步探明结果,陆地上可开发的风能资源即达2.53亿千瓦;加上近海(15米深的浅海地带)的风能资源,全国可开发风能资源估计在10亿千瓦以上。
        目前世界上对风能的利用主要是运用其发电。正因为有如此充裕的风能资源,风电也就成为世界上增长最快的能源,装机容量每年增长超过30%。按目前技术水准,只要离地10米高的年平均风速达到5~5.5m/s(四级风速为5.5~7.9m/s)以上,风力发电就是经济的。科技进步可能把可利用风能的风速要求进一步降至5m/s以下。1995年电力部曾提出2000年底我国风机规模要达到100万千瓦的目标,但事实上,截止到2003年底,全国风电总装机容量仅为56.7万千瓦,占全国总装机容量的0.14%。 然而,随着可再生能源法的实施,我国风电进入了快速发展时期,到2006年底,我国风电装机已累计达到了260万千瓦,预计今年可投产200万千瓦以上。


        国内风电发展不足

        尽管资源相当丰富,但我们也必须看到:与德国、丹麦等世界风电市场的佼佼者相比,我国风电发展还有很大的差距,尤其是在风机设备的制造水平上。
我国从20世纪70年代开始研制大型并网风电机组,直到1997年在国家“乘风计划”的支持下,这一技术才真正从科研走向了市场。由于国家和企业投入的资金较少,缺乏基础研究积累和人才,我国风力发电机组的研发能力严重不足,总体来说还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段。而且国产产品大都是“定桨定速”技术的,只相当于国际上20世纪90年代中期的水平,并且大部分产品还没有自主知识产权。
        自上世纪90年代兆瓦级变桨变速双馈式风机出现以来,其已成为国际主流机型,并具备很大的商业价值,特别是1.5兆瓦及以上的风机,基本上垄断了欧洲风电市场。大功率、变速运行、变桨距是世界风电设备发展的新趋势。
        之前,由于国家在风力发电的电价、并网等诸多问题上的政策不明朗,风电产品较火电、水电等销售价格偏贵,销路狭窄,造成国内电力开发商在风电开发上行动缓慢,迟迟未能产业化。近几年,随着风电政策的进一步明朗化,在外资企业的夹缝中,拥有自主知识产权的国内企业也迅速崛起,风力发电机组是风电场建设的最重要组成部分,随着国家风电事业的快速发展,国产风电机组的需求迅速增长,有着广阔的市场前景。而国内大企业拥有雄厚的资金和技术实力,它们进入风电设备制造领域有助于提高风电设备国产化进程。


        我国首台1.5兆瓦抗台风型风机下线

        2007年8月16日,由明阳电气集团承担的国家 “十一五”国民经济与社会发展重大项目,国内首台抗台风型1.5兆瓦变桨变速双馈式风力发电机组在广东明阳风电技术有限公司整体下线。一直以来,对于中国风资源现状调查是一个复杂且艰苦的过程,所以国内兆瓦级以上的风机从研制到批量生产进程非常缓慢。此次,经过广东明阳风电技术有限公司充分调研与分析,这台机组从概念策划到样机下线仅用了15个月时间,设计制造达到了世界先进水平,标志着国内兆瓦级风力发电机组的产业开发又取得了重大突破。
        鉴于国内风电技术水平远远落后于国外发达地区,必须高起点研发才能追赶国际水平。明阳电气采取了以自我为主、联合国际先进技术资源、拥有完全自主知识产权的技术开发路线,与德国aerodyn公司联合设计,根据国内风资源现状,以度电成本最低为开发目标,充分考虑南方沿海地区平均风速低、湿热、有台风危害以及北方地区低温、高海拔、沙尘等特殊气候环境,开发了面向中国东南沿海和三北地区两个主要风资源分布地带的两款风力发电机组,并针对特殊环境创造性地制定了特殊的技术标准。除了拥有两个机型的自主知识产权外,明阳电气还拥有电控系统的全部核心技术和源代码,并能自主提供风电场监控系统整体解决方案。这两款风电机组能够抵御台风、沙尘、严寒等极端气候条件,是我国第一个完全按照中国的自然环境和产业条件量身订做的全新一代风力发电机组。

        创新设计与管理

        该机组采用了多项独有的创新设计,如采用主轴双轴承支撑的传动系统设计,可以有效吸收轴向和径向负荷,有效地减少内部部件振动,提高齿轮箱和其他部件工作的可靠性;机舱采用过滤空气充气,使得内部气压大于外部气压,有效地阻挡了腐蚀性气体进入机舱;采用大直径风轮并优化叶型,能够捕捉更多的风能,与国内外同功率机型相比,在额定风速以下,风机发电量能提高15%~20%;抵抗台风设计,极限风速能达到70m/s,能够满足国内任何沿海地区;偏航传动系统采用内齿轮密封,有效地阻止外部恶劣空气对偏航系统的侵蚀,保证偏航的可靠性,同时增长了风机的使用寿命。同时,诸如齿轮箱、轴承等关键部件都选用国外最优质产品,以此保证风机整体性能的稳定性。
        能够研制出国内首台拥有完全自主知识产权的抗台风型1.5兆瓦风力发电机组,除了技术创新以外,明阳风电技术公司经理陈明海特别强调了管理的创新。他认为,首先是严格控制各个环节,从最初的设计到每个零部件的生产与选用都要严格控制;其次就是认证跟进。此次明阳风电研发的风机从设计到整机下线,每一个步骤都通过了劳埃德船级社(国际风电领域认证权威机构两家之一)跟进认证,相比整机下线以后再进行认证的做法,大大缩减了研究周期,少走了不少弯路。
        据了解,尽管面临成本造价与市场的矛盾,明阳风机毅然坚持“质量第一”的原则,不一味地追求利润最大化,以回报客户。
        有统计数据表明,截至2005年底,国产风电设备在国内累计装机容量为286840千瓦,仅占全国总装机容量的22.7%;国外风电设备在我国累计装机容量为979070千瓦,占全国总装机容量的77.3%,当时我国风电设备3/4的份额被国外设备厂商占据。
        目前,随着国内具有完全自主知识产权的1.2兆瓦、1.5兆瓦风机的下线与批量生产,国内设备生产厂商开始走上了以技术为核心竞争力的可持续发展之路,夺回国内市场甚至在国外市场占据一席之地是完全有可能的。