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江蘇海力風電設備科技股份有限公司
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技術解析現有大型風電機組投資價值不高的五大成因
  日前國家已將風電設備列為、產能過剩、行業,但是面對節能減排與氣候變化的緊迫形勢,面對風電不足全國發電總量1%的供電份額(到目前為止全國大型風電安裝總量也不過幾萬臺),面對廣泛豐富的、風能資源及其在可再生能源領域中最具發展空間、潛力的品種,剛剛興起的風電設備行業無論如何也不應成為被列對象,因此我們不難從中解讀出另外一個層面的含義:市場對大型風電設備的技術現狀不滿意,不滿意的表象是產能過剩?
  的確,在當前的大型風電建設中,成本高、效力低、故障多、功能少、拓展難是各個相關方面長期抱怨與公認的5大現實表象,這同時也是構成風電產能過剩表象與投資價值不高的5大主要起因,因為難于被投資者大量認可買單從而形成產能過剩,而透過這些表象均可從對現有大型風電機組整體形態與結構的技術解析中獲得直接的因果成因答案,其中的有些因果成因關系又可形成交叉復合,即:一個起因會導致多個表象的顯現或是使之影響程度進一步擴展;反之亦然,一個表象可由多個起因形成,因此難于完全逐條對位細分清楚,以下就從其主要表象與結構的因果關系入手進行一番概要的對位分析:
1.成本高成因的技術解析
  無論任何形態類型的風電機組,其有效采風面積、采風能力及在單位乘風面積上能夠形成的乘風強度和乘風出力位置所能形成的驅動旋轉力臂的大小是決定風輪出力能力高低的直接原因。
  從現有形態大型風電機組的葉片上看,其是采用攻擊角度的乘風出力方式,因此葉片難于形成更為寬大的乘風幅面規格的設計,而采用超長放大單一風輪葉片長度的方式所能形成的整體有效乘風面積的增加量是十分有限的,難于將單一風輪葉片的乘風面積設計很大;
  而從超長葉片的重量與形成乘風出力面積與乘風力臂的分布形態上看,現有大型葉片接近50-60%的重量卻是集中在葉根部或是接近于葉根部且部分還呈現圓形,主要作用是形成對超長葉片根部的支撐能力,沒有能夠形成乘風出力作用與乘風面積,而在遠離主軸可形成較大旋轉力臂導致形成實際有效旋轉力矩的葉尖部又是那么窄?。ㄎ錮硌系牧?M)指使推動物體轉動的力(F)乘以到轉軸的力臂距離 (L):即:M = F。
  可見,當前風輪的大直徑設計沒有導致相應比值大出力能力的形成,因而難于形成有效功率設計的大幅度提高(這同時也是導致效力低、拓展難的成因之一)。而在設備單機出力能力不能形成很大條件下所形成的設備綜合成本必定會很高,因為現有設備大型風電結構復雜,從而每個機組均要形成各個方面的支撐結構、運行功能、調節控制、傳輸設備等的具全俱備。
2.效力低成因的技術解析
  在風力強度相同的條件下,當前的大型風電單一葉片超長加大設計的直接結果將導致其風輪旋轉速度的降低,導致齒輪箱傳動比值加大,超長葉片還將導致塔筒效應與振動效應的明顯顯現;
  葉片長度加大必然要求加強其葉根部的結構強度設計,因此還將導致葉片體積重量的龐大【目前1.5-2兆瓦葉片已達18t左右;而3兆瓦已達30t;而5兆瓦10兆瓦呢,按照慣性思維應該50t】,因為慣性所致又將導致在低風速狀態下難于驅動超重葉片啟動旋轉,因此難于形成更多的投資收益獲得時空。
  此外,調控方式的單一是形成效力低表象的另一重要原因,因為在自然界風力加大的時刻立刻采用轉槳瀉風的調控方式又將導致強風時刻增多收益能力的丟失,這尤其是在3-5兆-10瓦及其以上設計功率下將表現的愈加明顯。
3.故障多成因的技術解析
  現有大型風電機組的整體設計形態導致其調控需求復雜,種類繁多,甚至延伸到對每一個葉片乘風姿態的隨時調控上,調控機構、結構與部件需求多,從而導致故障發生機會的增加;而其整體設計形態又導致其對于多數零部件的材料與制造的品質與規格要求已經大大超出普通機械設備部件的要求能力范疇,非高價與進口產品能夠勝任,而這又是導致成本高的原因。大型風輪旋轉速度減慢導致的齒輪箱傳動比設計需求的大幅度提高也是形成故障高的起因(結構復雜又是導致成本高的起因之一)。
  此外,與技術發源地比較,中國的高寒、高強風力、高強陽光的應用環境也直接對于超長懸空力臂風輪葉片(高分子材料)與連接機械結構及其耐久性應用構成更大程度的威脅(即使是在技術發源地,也時常聽到葉片發生斷或者裂的事故),而電力設備的高空設置(高空冬夏冷熱劇烈變化影響與不方便日常維護)與偏航系統攜帶電線電纜旋轉的對風方式也是造成故障多的誘因。
4.功能少成因的技術解析
  大型風電機組應該擁有更多的功能效益表現,以適應風電建設中十分復雜的應用需求與狀況變化,特別是風電機組在實現大型化之后應該同時具備更大幅度、更高效能與更多方式的調控手段與調控形成能力與其形成效果的配合,如只采用轉槳改變出力的調控方式難于滿足優勢化的應用需求與風力強度的巨大范圍變化,從而將減少投資收益的程度。
  何況,通過變化風力攻擊大型葉片角度的轉槳調控方式所形成的調控準確性與成效性值得商榷,其或是成為導致當前大型風電不穩定的成因之一?(注:通過葉片轉槳調控是軸流式水輪機出力調控的方式,但與通過導水機構控制的水電站水流水壓與密度進行比較,自然界的風力要不穩定的多,稀疏的多,此外通過采用葉片攻擊角度變化調控也難于完全適應自然界風力強度的不斷變化,可能發生驅動力的漂移與驅動力的變化,導致風電穩定性的下降
  更為大型的風電機組必須采用多發電機系統以適應大型風機對于風力強度大范圍變化的調控和巨型風電機組對出力能力大范圍變化的大幅度調控(注:當風機設計功率超過3-5-10兆瓦及以上功率能力后,對于大型風力機出力能力大幅度范圍變化的適用性要求就會愈加強烈,以使其能夠充分利用各種風力強度形成風力發電與實現其運行速度的寬幅調控。這與過去中小型定槳式風電機組被動采用雙發電機進行調控的出發點不同,創新技術是主動采用多發電機并且形成與另外的高效調控系統形成調控配合),而其龐大的多發電機系統必須設置在地面(海面);這樣還能方便安裝與維護,又可避免高寒高熱的破壞性影響。
5.拓展難成因的技術解析
  風電機組的更大型化發展是實現高效、低價、簡捷、方便設計、生產、安裝、應用與穩定化運行唯一有效的途徑與手段,向著更大能力、更高效能、更強適用性的拓展預期也是支持與推動風電產業更大規模發展的原動力,但從現有大型風電機組的整體形態與結構的上述分析中可以看出,實現上述許多功能與能力需求的努力難有更大的拓展空間,因為在克服其中之一缺陷的過程中另一相關方面的問題會形成相互制約,難于兩全其美,如:更進一步放大其葉片設計規格空間的努力將導致重量、成本與故障率的更高發生,而某些功能性缺陷的完善努力(如:在高空設置大型多發電機系統)將永遠無法實現。
6.結語
  明顯可見,在小型水平軸三葉槳風力發電機形態基礎上,通過逐步放大設計規格過渡形成的現有大型風電的形態與性能,會產生出如上列舉的諸多在小型風電機組上并不具有的性能缺陷、結構問題與應用困難。
  能夠客觀、及時、全面、清楚地了解現有大型風電設備的技術發展現狀可以對投資決策提供預期有益的提示、參考。其同時也是構成探索更加適合大型風電機型特點的優秀創新方案最為原始的思維動力與基礎。
  值得高興的是,經過長期的努力與完善,當前多種全新結構形態的大型風電機組的技術設計方案已經出現,其將全面優質解決上述多方面的難題,并可實現設計規模越大,單位千瓦成本越低,綜合效益越高的趨勢發展態勢,其可形成多樣化的宏大設計與規模建設,并可在不同應用條件下形成最佳機型的應用選擇,其有望使風電的上網電價低于或是大幅度的低于煤電(在不同風力狀況與機組建設規模的情況下)。
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