國外海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢分析

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會 ■ 沈德昌

國外海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢分析

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會 ■ 沈德昌

0 引言

從1991年第一個海上風(fēng)電場建成到現(xiàn)在已有25年，海上風(fēng)電一直在緩慢發(fā)展。近年來，海上風(fēng)電成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)，發(fā)展速度有所加快，但人們預(yù)期的海上風(fēng)電起飛至今還未發(fā)生。截至2015年底，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1100萬kW，僅占全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的2.56%；我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到100萬kW，僅占全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的0.7%。

海上風(fēng)電機(jī)組是建設(shè)海上風(fēng)電場最主要的設(shè)備，其單機(jī)容量從25年前的450 kW增長到當(dāng)前的7 MW，仍然在向大型化發(fā)展。海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)類型也從單一的高速傳動式風(fēng)電機(jī)組發(fā)展到高速傳動雙饋式風(fēng)電機(jī)組、高速傳動異步發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電機(jī)組、半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電機(jī)組并存的階段。主流機(jī)型從5年前的2～3 MW發(fā)展到如今的3.6～6 MW，當(dāng)前正在向8 MW，甚至10 MW發(fā)展。本文介紹并分析了國外各主要風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠家研制的海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)路線，并指出了國外海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)今后發(fā)展的主要趨勢。

1 國外已經(jīng)應(yīng)用的海上風(fēng)電機(jī)組

在18世紀(jì)90年代，Bonus的450 kW和Vestas的500 kW、550 kW、600 kW風(fēng)電機(jī)組都曾經(jīng)在早期的近海風(fēng)電場應(yīng)用；2000年以后就沒有安裝過2 MW以下的海上風(fēng)電機(jī)組。

1) Vestas公司的2 MW和3 MW雙饋式海上風(fēng)電機(jī)組已在歐洲海上風(fēng)電場大批量應(yīng)用，是經(jīng)受住考驗(yàn)的成熟機(jī)型。Vestas公司的海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量約占全球海上風(fēng)電機(jī)組的30%。

2) 西門子公司的2.3 MW和3.6 MW海上風(fēng)電機(jī)組已在海上風(fēng)電場大批量應(yīng)用，也是目前海上風(fēng)電場的主流機(jī)型。西門子公司的海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量約占全球海上風(fēng)電機(jī)組的60%以上。

3) 德國Repower公司研制的5 MW雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組已成功應(yīng)用于海上風(fēng)電場，是傳統(tǒng)雙饋式風(fēng)電機(jī)組大型化的典范，目前在愛爾蘭、比利時和德國海上風(fēng)電場安裝運(yùn)行。該機(jī)組風(fēng)輪直徑126 m，輪轂高度120 m，額定功率5 MW，已批量安裝使用。在其基礎(chǔ)上擴(kuò)容的Repower 6 MW也已少量安裝。

4) 德國BARD公司5 MW海上風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑為122 m；機(jī)艙部分重達(dá)425 t；葉片長度為60 m，重28.5 t。該機(jī)組由德國Areodyn公司設(shè)計(jì)，屬于雙饋式風(fēng)電機(jī)組大型化的又一個范例。輪轂重量(包括軸承座和其他附加設(shè)備)達(dá)70 t，機(jī)艙 (包括發(fā)電機(jī)，但不包括葉片和輪轂)重280 t。德國BARD公司5 MW海上風(fēng)電機(jī)組已在海上風(fēng)電場批量安裝。

5) 法-德合資的Areva Multibrid半直驅(qū)型

5 MW風(fēng)電機(jī)組也已在海上風(fēng)電場投入運(yùn)行，安裝數(shù)量超過10臺。該機(jī)組額定功率為5 MW，風(fēng)輪直徑為116 m。機(jī)組采用集成化設(shè)計(jì)，將風(fēng)力機(jī)的主軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)集成在一起，以減少重量，從而降低成本；傳動鏈為“風(fēng)輪+單級齒輪箱(1∶9.92)+多級永磁發(fā)電機(jī)”；系統(tǒng)采用折中方案，兼顧了雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，折中考慮了性能與價格的關(guān)系。

6) 2003年GE 風(fēng)能公司的3.6 MW雙饋式海上風(fēng)電機(jī)組也已在海上風(fēng)電場投入運(yùn)行，安裝數(shù)量為7臺；芬蘭Winwind公司生產(chǎn)的3 MW半直驅(qū)海上風(fēng)電機(jī)組于2009年在海上風(fēng)電場投入運(yùn)行，安裝數(shù)量達(dá)10臺。但后來這兩個產(chǎn)品都沒有繼續(xù)進(jìn)入海上風(fēng)電場，說明它們的性能還不能適應(yīng)海上風(fēng)電場的惡劣環(huán)境。

2 歐美重點(diǎn)企業(yè)新研制海上大功率風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 日本三菱重工和丹麥Vestas公司的海上風(fēng)電機(jī)組

面向未來，兩公司正在合作研制164-8.0 MW Vestas 8 MW半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)全新功率變流海上風(fēng)電機(jī)組。該機(jī)組采用了1個中速齒輪箱、永磁發(fā)動機(jī)和全功率變流器。

隨著164-8.0 MW Vestas的引進(jìn)設(shè)計(jì)將推動業(yè)主的海上風(fēng)電收益率達(dá)到一個新的水平。該機(jī)組可最大化捕獲能量，不僅是因?yàn)槠鋼碛?64 m直徑的巨大風(fēng)輪，還因?yàn)槠鋬?yōu)化了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的比例；采用較少數(shù)量的大型風(fēng)力機(jī)，從而減少了運(yùn)行和管理的成本，也減少了投資風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)模，因?yàn)檩^少數(shù)量的風(fēng)力機(jī)也意味著較少的基礎(chǔ)和電纜。由于164-8.0 MW Vestas的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命是25年，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)突出，因而使投資商的投資回報(bào)實(shí)現(xiàn)最大化，這會給業(yè)主一個更長的發(fā)電期限，并增加業(yè)主的商業(yè)效益。該機(jī)組的設(shè)計(jì)理念為可靠性高、可預(yù)測、保障壽命期性能、盡可能減少維修次數(shù)；需要維修時，可做到安全、快捷和低成本。

2.2 德國西門子公司的海上風(fēng)電機(jī)組

作為世界海上風(fēng)電領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，西門子2010年在上海建立了風(fēng)機(jī)葉片制造基地；2011年贏得中國首個海上風(fēng)電訂單；同年10月，西門子風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)亞太區(qū)總部落戶上海。西門子將為中國帶來先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)、國際化項(xiàng)目管理，以及海上風(fēng)電領(lǐng)域的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

該公司已經(jīng)研制出SWT-6.0-154直驅(qū)式新型海上風(fēng)電機(jī)組，該機(jī)組風(fēng)輪直徑為154 m，風(fēng)輪軸后傾6°，機(jī)組的額定功率為6 MW；風(fēng)輪直接驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，塔架上部重量僅為360 t。該機(jī)組主要特點(diǎn)如下：

1) 量子(力學(xué))葉片。獨(dú)特的設(shè)計(jì)和制造程序，采用一體化葉片。為獲得最大的強(qiáng)度，實(shí)行一體化澆注；為中高速風(fēng)況優(yōu)化氣動特性；為更高的輸出能量增長了葉片長度；為使根部氣流泄漏最小化并增加升力而設(shè)計(jì)了葉片根部。

2)直驅(qū)發(fā)電機(jī)永磁設(shè)計(jì)。全封閉、容易接近、輕重量設(shè)計(jì)；在可靠性和效率之間優(yōu)化設(shè)計(jì)。與帶齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組比，整機(jī)零件數(shù)量減少50%。

3)機(jī)艙堅(jiān)固重量輕。進(jìn)行了寬敞、人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，并具有最大的服務(wù)能力。

4)冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了簡單、堅(jiān)固、流暢連接的水冷系統(tǒng)；頂部安裝的被動冷卻散熱器，高效的兩級冷卻保證了良好的效果。

推出SWT-6.0-154風(fēng)電機(jī)組后，西門子在直驅(qū)海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域大獲成功，已被約10個項(xiàng)目選中。 西門子6 MW機(jī)組商業(yè)運(yùn)營的第一個海上風(fēng)電場，即位于英國東海岸的Westermost Rough海上風(fēng)電場，共安裝35臺機(jī)組，裝機(jī)容量210 MW，足以滿足超過15萬戶英國家庭每年的電力需求，在2015年5月底已實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。

此前，西門子全新推出了SWT-7.0-154機(jī)

組，這款設(shè)備將有力推動海上風(fēng)電平準(zhǔn)化成本的降低。在相似的運(yùn)營成本條件下，SWT-7.0-154機(jī)組發(fā)電量比其前代產(chǎn)品SWT-6.0-154提高了10%，這是由于電氣系統(tǒng)升級，新機(jī)組提高了無功功率容量，這對符合電網(wǎng)規(guī)范十分重要，立足于成熟平臺的先進(jìn)技術(shù)將確保機(jī)組的高可靠性和可維護(hù)性。現(xiàn)在，西門子又全新推出了SWT-8.0-154機(jī)組樣機(jī)，在相似的運(yùn)營成本條件下，SWT-8.0-154機(jī)組發(fā)電量比其前代產(chǎn)品SWT-7.0-154提高了14%。

2.3 西班牙Gamesa公司的G128型5 MW海上風(fēng)電機(jī)組

西班牙Gamesa公司研制出風(fēng)輪直徑128 m、輪轂高度120 m的G128型5 MW中速傳動永磁風(fēng)電機(jī)組，機(jī)頭重量為250 t，屬于半直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組大型化的一個范例。該機(jī)組采用兩段式(碳纖維)葉片；混合式塔筒(混凝土+鋼)，可減少投資；內(nèi)置吊車，便于安裝和拆卸部件；采用1個兩級傳動的行星齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器，該變流器由6個并聯(lián)的770 kW變流器(IGBT)組成，提高了可靠性。該機(jī)型已于2012年底完成認(rèn)證測試，首臺樣機(jī)已于2013年在西班牙進(jìn)行安裝。

2.4 美國GE風(fēng)能公司的海上風(fēng)電機(jī)組

美國GE風(fēng)能公司研制的GE 4.1-113型直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑為113 m，額定功率為4.1 MW， 采用永磁發(fā)動機(jī)，是美國GE風(fēng)能公司首次研制的大型直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組。

2.5 德國Enercon公司的7 MW直驅(qū)勵磁風(fēng)電機(jī)組

德國Enercon公司安裝在比利時的新一代E-126直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑為127 m，采用了1600 t的履帶吊安裝。單機(jī)容量為7 MW；采用2段式葉片，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場組裝；輪轂高度為198 m，采用混合式塔筒-鋼制頂段，其余由混凝土建造，塔底直徑為14.5 m。該機(jī)組采用“蛋形”機(jī)艙；新型葉片設(shè)計(jì)，與機(jī)艙罩和導(dǎo)流罩有機(jī)融合，使氣流均勻地通過機(jī)艙，減少湍流和擾流，提高發(fā)電量；葉片采用了“小翼”葉尖，可在風(fēng)輪平面內(nèi)抑制生成擾流和旋渦，從而降低噪聲，提高發(fā)電量；葉片法蘭直徑大，采用雙列螺栓連接。該機(jī)組采用勵磁發(fā)電機(jī)，是德國Enercon公司近年來研制的最大型直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。7 MW直驅(qū)勵磁風(fēng)電機(jī)組已安裝3臺，其前身6 MW直驅(qū)勵磁風(fēng)電機(jī)組已安裝9臺，在比利時陸上風(fēng)電場的總安裝量為11臺。

但是，到目前為止，7 MW直驅(qū)勵磁風(fēng)電機(jī)組還沒有在海上風(fēng)電場安裝。

2.6 法國阿爾斯通公司開發(fā)了6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組

這款新一代海上風(fēng)電機(jī)組采用無齒輪箱的直驅(qū)結(jié)構(gòu)，并采用永磁發(fā)電機(jī)，所以設(shè)備內(nèi)部的機(jī)械部件較少，故障率更低，使其運(yùn)行更為可靠，也更有助于降低運(yùn)行和維護(hù)成本。該機(jī)組額定功率為6 MW，采用液壓冷卻的永磁發(fā)電機(jī)，變流器置于塔架底部空間內(nèi)；風(fēng)輪直徑150 m，葉片長度為73.5 m，沒有使用碳纖維，葉片的表面由聚氨酯腹膜覆蓋，葉片的迎風(fēng)邊做了抗腐蝕保護(hù)性處理。這款機(jī)型是專門針對海上環(huán)境而設(shè)計(jì)，所以其安裝將有助于確認(rèn)Haliade 150型機(jī)組在海上環(huán)境下的運(yùn)行表現(xiàn)。

機(jī)組安裝過程中，每個基點(diǎn)的樁基礎(chǔ)被打入到海底平面下60 m以上，61 m長的導(dǎo)管樁基礎(chǔ)安裝在基點(diǎn)上，露出海平面約20 m；78 m長的3段式塔筒被安裝在導(dǎo)管樁基礎(chǔ)上以后，輪轂的高度在海平面100 m以上；機(jī)組及其附屬結(jié)構(gòu)的重量總計(jì)約1500 t。但是，美國GE風(fēng)能公司已經(jīng)收購了法國阿爾斯通公司的風(fēng)電業(yè)務(wù)，所以阿爾斯通公司開發(fā)的6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組的型號改為 GE-Haliade 150型6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組。

2.7 德國Nordex公司研制了6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組

根據(jù)德國Nordex公司的計(jì)劃，風(fēng)輪直徑為150 m的N150/6000 風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)已于2013年

在陸地上安裝，2014年在海上安裝，并于2015年投入批量生產(chǎn)。

表1 國外重點(diǎn)企業(yè)研制的大型海上大功率風(fēng)電機(jī)組

從表1可以看出，國外重點(diǎn)企業(yè)2009年以后面向未來開發(fā)的海上風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)都采用了“直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組+全功率變流器”的技術(shù)組合。部分企業(yè)采用了“中速齒輪箱+永磁風(fēng)電機(jī)組+全功率變流器”的技術(shù)組合。

3 海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)總結(jié)及展望

1) 2010～2015年，2～6 MW海上風(fēng)電機(jī)組成為海上風(fēng)電場的主流機(jī)型，西門子3.6 MW成為銷量最多的海上風(fēng)電機(jī)組，小批量直驅(qū)永磁式6 MW風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入海上風(fēng)電場。在這段時期，海上風(fēng)電機(jī)組的主流技術(shù)類型是“高速齒輪箱+雙饋式發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組和“高速齒輪箱+高速異步發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組；少量“中速齒輪箱+永磁式發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入海上風(fēng)電場。除了我國在潮間帶風(fēng)電場應(yīng)用了2.5 MW直驅(qū)永磁型風(fēng)電機(jī)組外，歐洲海上風(fēng)電場已經(jīng)有6 MW直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組投入應(yīng)用。

2) 2016～2020年，3.6～8 MW海上風(fēng)電機(jī)組將成為海上風(fēng)電場的主流機(jī)型。2016年以后，6 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組將批量進(jìn)入海上風(fēng)電場；單機(jī)功率6 MW以上的海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成熟、進(jìn)入大批量生產(chǎn)銷售時期，全球海上風(fēng)電場建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展新階段。6～8 MW海上風(fēng)電機(jī)組將成為海上風(fēng)電場的主流機(jī)型，小批量10～15 MW風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)入海上風(fēng)電場。

3) 2021～2030年，海上風(fēng)電機(jī)組的主要機(jī)型將是6～10 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組，8～10 MW“中速齒輪箱+中速永磁式發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組、“高速齒輪箱+異步高速發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組和“高速齒輪箱+高速永磁式發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組也將在海上風(fēng)電場得到批量應(yīng)用，上述風(fēng)電機(jī)組都將配備全功率變流器；小批量15～20 MW風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)入海上風(fēng)電場。總之，配備全功率變流器的各類大型風(fēng)電機(jī)組將成為未來海上風(fēng)電場的主流機(jī)型，而“高速齒輪箱+雙饋式發(fā)電機(jī)”組成的風(fēng)電機(jī)組將逐步退出海上風(fēng)電市場。

2016-07-18

沈德昌(1947—)，男，本科、研究員，主要從事風(fēng)能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展方面的研究。shendc06@126.com