劉世洪：海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)探討

       以下為發(fā)言內(nèi)容：

       劉世洪：我今天跟大家匯報(bào)的內(nèi)容分三個(gè)方面：一是海上機(jī)組發(fā)展趨勢。二是海上機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)。三是東方風(fēng)電海上機(jī)組產(chǎn)品。

       今天上午很多領(lǐng)導(dǎo)都講了，隨著氣候變暖各個(gè)全球主要的國家都是制定了碳減排的計(jì)劃，在過去的時(shí)間風(fēng)電得到了很大的發(fā)展，2018年底全球風(fēng)電總裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到591GW，占全球發(fā)電設(shè)備總裝機(jī)容量的6%，海上風(fēng)電也得到了快速發(fā)展，這個(gè)圖上午領(lǐng)導(dǎo)都講了，在2010年到2018年全球海上風(fēng)電每年新增裝機(jī)從1GW增長到4GW以上，每年增速超過了20%，根據(jù)國家能源機(jī)構(gòu)預(yù)測在未來二十年海上風(fēng)電講的得到更大的發(fā)展，到2030年預(yù)計(jì)海上風(fēng)電的總裝機(jī)將達(dá)到200GW左右，2040年大概在400到500GW。

       1991年世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場是丹麥的Vindeby風(fēng)電場投入運(yùn)行，當(dāng)時(shí)裝了11臺(tái)450千瓦的風(fēng)電機(jī)組，到2019年世界上最大的海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到12兆瓦，整個(gè)容量增大了26倍，海上風(fēng)電機(jī)組功能直徑由短變遠(yuǎn)、功能率由小變大、離岸距離由近到遠(yuǎn)。

       2010年海上風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑90米容量是3兆瓦，到今天風(fēng)輪直徑達(dá)到200米左右容量達(dá)到10兆瓦，未來風(fēng)輪直徑將增加到250米，容量增加到15到20兆瓦。這是已經(jīng)投運(yùn)開發(fā)6兆瓦以上海上風(fēng)電機(jī)組的表，包括GE、西門子和東方電氣在內(nèi)的傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)備制造商有6家都選擇把直驅(qū)作為我們技術(shù)路徑，而另外有3家供應(yīng)商把這個(gè)帶齒輪箱的作為他們的選擇，直驅(qū)技術(shù)路線由于傳動(dòng)鏈短、可靠性高、維護(hù)工作量小成為海上風(fēng)電發(fā)展主要的趨勢。隨著近海風(fēng)電逐漸開發(fā)，深遠(yuǎn)海的風(fēng)電是下一步開發(fā)趨勢，漂浮式是下一步深遠(yuǎn)海風(fēng)電必然的選擇。

       這是我們做的7兆瓦漂浮式風(fēng)電的方案，這個(gè)方案是針對(duì)7兆瓦風(fēng)機(jī)做的方案，按照作業(yè)水深在40米，整個(gè)基礎(chǔ)的排水量7800噸，鋼結(jié)構(gòu)重量大概是2500噸，養(yǎng)殖容積達(dá)到25000立方米，每年養(yǎng)殖可以產(chǎn)生的重量是500噸，養(yǎng)殖收入是2500萬人民幣，養(yǎng)殖成本大概1500萬元，扣除成本以外每一臺(tái)風(fēng)機(jī)每一年養(yǎng)殖收入達(dá)到1000萬元。我們算了一下，針對(duì)目前的電價(jià)8.5角，如果我們運(yùn)行小時(shí)數(shù)在3000到3500，養(yǎng)殖收入占到發(fā)電收益的一半甚至以上，這個(gè)可以有效降低漂浮式風(fēng)機(jī)綜合成本。

       漂浮式還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是安裝方便，在碼頭就可以完成安裝，這樣我們就不需要大型的吊裝船，在碼頭安裝以后我們可以用拖船拖到機(jī)位，也有采用固定的，也有采用拋錨式安裝的，在碼頭安裝可以增加施工的窗口期，在歐洲一年有200多天可以施工，在中國只有100多天可以施工。采用漂浮式安裝時(shí)間窗口期就很長。采用漂浮式對(duì)環(huán)境影響很小。再有就是當(dāng)我們風(fēng)機(jī)完成25年壽命到期以后，我們可以用船把它托運(yùn)回碼頭進(jìn)行拆解，這樣拆解的費(fèi)用也可以大幅度降低。今天很多專家講了海上風(fēng)電能不能得到發(fā)展、以后有多大的發(fā)展前景，度電成本是我們最核心的，我們應(yīng)該是不斷通過技術(shù)進(jìn)步、通過技術(shù)創(chuàng)新，從風(fēng)機(jī)主機(jī)、基礎(chǔ)、塔筒、施工、機(jī)電線路一起降低成本。

       下面講一下海上風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，與陸上機(jī)組不一樣，這個(gè)不光要承受風(fēng)載，還要承載浪載，一體化仿真設(shè)計(jì)可以有效模擬，降低基礎(chǔ)造價(jià)。作為風(fēng)捕獲的葉片是非常重要的部件，隨著海上風(fēng)機(jī)的功率越來越大、葉片越來越長，怎么樣在保證風(fēng)機(jī)捕捉風(fēng)能的同時(shí)有效的降低載荷，氣動(dòng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。隨著葉片越來越長幾何形狀和材料的非線性特征都復(fù)線出來，為了避免葉片顫振、扭振我們必須要進(jìn)行葉片分析，根據(jù)現(xiàn)在的經(jīng)驗(yàn)很多風(fēng)機(jī)葉片大概在兩年左右就要進(jìn)行維護(hù)，除了增加維護(hù)成本，另外就是影響發(fā)電量，是不是在行業(yè)里面作為共性技術(shù)大家怎么樣一起攻關(guān)延長葉片的維護(hù)周期。

       為了降低風(fēng)機(jī)載荷增加剛性，碳纖維材料在風(fēng)機(jī)里面得到了大量的應(yīng)用，我們研究7兆瓦、10兆瓦的葉片都采用了碳纖維，碳纖維應(yīng)用在材料方面、工藝控制、質(zhì)量控制難度都比較大，我們還需要比較大的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行葉片測試。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組里面另外一個(gè)關(guān)鍵的部件就是發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)雖然要使用稀土材料，成本相對(duì)比較高，但是因?yàn)樗男时葌鹘y(tǒng)的電力磁的發(fā)電機(jī)高2%到3%，重量比電力磁發(fā)電機(jī)更輕，尺寸也更小，在風(fēng)電領(lǐng)域里面永磁發(fā)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)來講我們的絕緣技術(shù)、電池設(shè)計(jì)包括通風(fēng)、冷卻、鋼強(qiáng)度分析以及怎樣做到防止磁缸退磁都是非常關(guān)鍵的技術(shù)。

       為了保證風(fēng)機(jī)更好捕獲風(fēng)能，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，像風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本上從50%額定轉(zhuǎn)速到100%在運(yùn)行，風(fēng)機(jī)發(fā)出來的電能頻率是變化的，把變化頻率的電能轉(zhuǎn)化為公平電能變流器角色非常重要，我們采用中壓變流器，它的好處是效率比傳統(tǒng)650伏低壓變流起高1%到1.5%，我們這個(gè)是采用三變頻技術(shù)，諧波更小，對(duì)絕緣影響更小。

       采用獨(dú)立變槳這個(gè)在行業(yè)都在用，在一些特殊工況采用獨(dú)立變槳，讓槳葉處于不同的角，降低極端工況的載荷。還有就是能夠有效降低風(fēng)機(jī)的載荷就是激光雷達(dá)前饋控制，通過提前感知來流的速度可以提前實(shí)現(xiàn)變槳降低極限載荷5%到10%、疲勞載荷10%到15%。可以降低風(fēng)機(jī)塔筒和結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本。

       這是雙回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，金風(fēng)采用的是四回路，發(fā)電機(jī)、變流器在運(yùn)行過程中發(fā)揮故障這時(shí)候不具備維護(hù)條件，比如說這時(shí)候風(fēng)大沒有施工的窗口期，或者這時(shí)候備品備件不支持，我們就可以讓風(fēng)機(jī)部分復(fù)合運(yùn)行，這主要是減少發(fā)電量損失。

       中國東南沿海大家普遍要面臨的就是臺(tái)風(fēng)，這個(gè)表里面是整個(gè)臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)，特別是在東南沿海這一片影響很大，臺(tái)風(fēng)來臨的時(shí)候我們有一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)就是主動(dòng)對(duì)臺(tái)風(fēng)技術(shù)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)來的時(shí)候我們臺(tái)風(fēng)要正對(duì)著臺(tái)風(fēng)的方向，通過分析計(jì)算可以減小基礎(chǔ)載荷20%以上，怎么樣能夠保證風(fēng)機(jī)能夠?qū)?zhǔn)這個(gè)風(fēng)向？這里面?zhèn)溆秒娫捶浅ｊP(guān)鍵，我們一定要有可靠的備用電源，當(dāng)臺(tái)風(fēng)來臨導(dǎo)致電網(wǎng)掉電以后備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)，可以保證主控、偏航系統(tǒng)正常工作降低風(fēng)機(jī)的載荷。

       海上風(fēng)電另外一個(gè)挑戰(zhàn)是鹽霧，我們風(fēng)機(jī)裸露在外面的部件都進(jìn)行涂漆防腐，風(fēng)機(jī)內(nèi)部包括塔筒都是與外界隔絕，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量和風(fēng)機(jī)其他部件產(chǎn)生的熱量我們通過換熱器帶到機(jī)艙外面，保證內(nèi)部和外部隔絕，避免受到鹽霧的侵蝕，當(dāng)風(fēng)機(jī)停機(jī)檢修的時(shí)候這時(shí)候在風(fēng)機(jī)里面設(shè)置了有新風(fēng)系統(tǒng)，人要去之前把新風(fēng)系統(tǒng)打開，把里面的空氣換掉，同時(shí)我們里面有除鹽霧裝置、除濕裝置，在停機(jī)的時(shí)候也能夠保證防止鹽霧，也可以保證人的安全。

防雷這個(gè)事情我就不多說了，雷對(duì)葉片的損傷大家都知道，一個(gè)是對(duì)葉片防雷進(jìn)行仿真計(jì)算，我們還要進(jìn)行系統(tǒng)測試減少雷電的影響。