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风机技术浅谈
jiang_0514 发表于 2009/7/30 10:49:44 1275 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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风机技术浅谈
我们的老祖宗很早就知道可以利用风来做很多取代人力的工作，所以发明了一些设备来利用风能。现在发现的人类使用风能的是在埃及发现的最古老的遗迹，据估计大约是3000年以前。第一台有可靠纪录的风车出现于公元7世纪。那时候的风车主要外形是垂直轴，四叶片的木制结构，叶片基本是用麻布类蒙覆。而且主要功能在于利用风能来浇水灌溉，舂米磨面等等。当然在当时的制造工艺下已经是机械代替人力的进步了。
第一台水平轴的风车出现在12世纪的欧洲，最典型的代表就是现在去荷兰还可以看到的风车，垂直轴，四叶片，下风向，有考虑到叶片的进气边和排气边差异，但是没有曲面叶身等概念。可以参见如图：（贴不上，回头补上吧）
有记载的第一台风力发电机是安装在Poul La Cour，是1891在丹麦Askov，这台设备也同时也是第一台混合系统。也就是说除了发电之外还干别的事情，哦，应该说是在做其他的代替人力的工作之外，还利用部分风能来进行发电试验。所以这台机器的外形和欧洲当时的风车没有明显的差别。
过了一段时间，历史上第一台兆瓦级风机在1941年在 Vermont投入运行，这应该是第一台真正意义上的风力发电机，可以看到很多现代风机的技术雏形。这是一台采用了双叶片，下风向的风机，有了较简单的曲面叶片外形，叶轮直径为53.3米，配置了输出功率为1250kW的同步发电机。
到了1982年，在欧洲的GroWiAn安装了第一台多兆瓦级风机，单机输出功率为3MW，同样也是采用了两叶片，下风向设计，而叶轮的转子直径达到了100m。采用了金属桁架式塔架结构，而且叶片也有了叶根到叶尖的叶形过渡曲线，相当明显的空气动力学叶形轮廓。不过这台风力发电机只运行了420小时，由于过于严重的疲劳问题，在1988被拆除了。应该说这是一个大举动，但是产出极少。
简单回顾一下可以看到的是我们对于风能的利用很早就开始研究了，而且随着制造工艺和材料科技的发展，我们对于如何更好的，更有效的利用风能有了长足的进展。
风力发电机应该是在20世纪90年代前后开始实现产业化的，也就是开始并网发电的。最初的产品基本是以150kW到300kW为主，两叶片和三叶片的设计都有，桁架式钢结构塔架，多数是下风向风机。现在我国的嵊泗，舟山的一些岛屿上还能看到一下风机树立在哪里，不过都已经不能动了，是两叶片150kW的机型。在美国加州南部的一片山丘上，丹麦，德国的许多地方都能看到有许多三叶片的300kW风机，其中一些还在运转，不过基本已经不再维护了。不过这些也只能算作是原始起步阶段，其中的一些欧洲公司由此获得了第一批资金及技术经验的积累，同时也引发了一些设计公司的出现。
到了20世纪90年代中期的时候，开始出现了我们现在的基本主流技术：三叶片，偏航，玻璃纤维树脂叶片，被动式定浆风机，桁架或锥型塔架。那个时候的主要机型是600kW。同时，Vestas，NEG Micon，Tacke，Nordex等等欧洲的风电先驱公司基本成型，陆续发明了主导现在风机的技术，其中以Vestas的技术领先，至少目前还保持着这个优势。Tacke，也就是现在GE的前身的前身，推动了异步双馈机型，同时在北美还申请了专利，这个专利对于近几年北美风机的销售起到了相当大的影响。貌似这个专利今年好像到期了（具体时间忘记了，那位可以提高一下）。
目前在世界范围内，总装机容量台数应该是定桨风机和异步双馈风机占据前两位，而且在最近几年异步双馈风机已经完全在技术上，装机容量台数上完全占据了上风。原因很简单，技术上定浆风机已经完全落伍，而且现在的机械、电气加工设备和能力已经能够满足相对比较复杂的异步双馈风机的需求，所以很明显的异步双馈风机占据了很大的市场份额。
但是，异步双馈风机会一直占据下去吗？
让我们先来看看异步双馈目前的状况。我们以中国市场为例，这样可能让大家更容易理解。目前国内的主力机型是1.5MW级别的异步双馈风机，也是我们大江南北都可以看到的机型，而且国内的主流生产商都有此机型在售。在看看下游的供应链，齿轮箱，发电机，电控系统，铸件，等等都是以提供双馈配套为主；貌似整个市场都是双馈机型。但是事实是这样吗？我们看看我们现在国内的主流生产商的开发计划先。
金风，很早就瞄上了永磁直驱技术了，而且信心，步伐，长期战略都很清晰，要利用直驱技术在国内的市场上占据一片天地。
华锐：目前1.5MW双馈的急先锋，出货量年年翻番，估计一两年内可以坐上中国市场份额的老大了。不过据透露，他们在3MW以后的机型上也抛弃了双馈，而改投液压传动技术方向。
东汽：现在手里同时有1.5MW和2.5MW的异步双馈风机在手，市场份额也是节节攀升。但是他们的大风机技术也放弃了双馈技术而采用了其他的技术。
而其他的例如上海电气，南车，湘电，明阳等等后起之秀，都已经暗地里动手考虑大型风机的走向了，不过据称最优先选择的都不是双馈机型。
我们在把头看向国外公司，看看他们的动向或许对我们会有所启发。
通用电气（GE）：这几年他们在美国市场上是赚的盆满钵满，但是他们的2.5MW以上机型却没有使用这个双馈的所谓成熟技术，反而奔向了全功率变频的怀抱。
Enercon：这个直驱技术风机的先行者，已经在欧洲占据了很的的市场份额，我想他应该还会沿着这条路一直走下去的。
Vestas和Gemesa：目前看来，他们还应该会沿着双馈的技术走一段时间的，至少没有看到他们有报道提到新的技术动向。不过，特别是Vestas作为业内的技术领头羊，他们在双馈上面的专利技术应该可以保证他们有足够的市场份额了。
那么在下游的供应链上有时怎么样的情况呢？
齿轮箱供应商：全功率变频和双馈的变速箱其实差异不是很大，所以应该很容易入手，而且事实上他们已经开始动手研发了。
电机供应商：有能力和已经开始开发非双馈的异步电机，同步电机，永磁电机等等的公司比比皆是，其中也包括基本所有的外资，独资企业。
电控系统：可以提供全功率变频的，液压驱动的，直驱的产品的公司也有不少。
叶片：现在34到40多米长度叶片的生产公司应该很多了，可能你要做的就是及早的和他们把订单签了吧。
现在看看我们的后加入者该如何做出决定了呢？目前，意图染指风电行业的公司如同雨后春笋，可以看到有各种行业的后来者，那么他们应该如何抉择呢？选择什么样的技术，多大的单机输出功率呢？
首先，2MW一下基本不做推荐，对于今年加入队伍的来说，真正出批量产品至少一年半以后了，甚至两年，那时候，国内市场1.5MW应该是和2MW以上机型同台竞争了，我个人认为大容量，新技术的风机肯定比1.5MW双馈机型受欢迎。
那么到底那种技术会更先进呢，很多人会说是直驱，其实就目前的情况来看，还没有足够的证据能够证明直驱将会是最先进的技术，失磁，尺寸，价格等等都影响了他的快速发展，至少目前世界排名靠前的两大公司都没有选择此技术方向。
那么全功率变频呢，和双馈一样采用齿轮箱，电机传动系统，可接受度稍微高一些，这也是很多业内大腕的选择。
另外，一个后起之秀液压传动，同步电机并网技术也在全球各地隆重登场，不需要变频器和变压器，直接中高压并网的技术路线也为他赢得了一席之地。
我的建议是选择2MW及以上的单机输出容量，在直驱，全功率变频，和液压驱动之间选择一个和你们公司的技术强势可以互补的技术是最佳选择。例如：如果你们的电机技术很强，而机械，电控一般或中流，那么液压驱动或者是最佳选择；如果机械技术很不错，或许全功率变频是个不错的方向。
异步双馈
· 双馈电机
· 有碳刷滑环
· 1/3功率变频（成本较低）
· 效率较低
· 维护成本较高
· 谐波影响明显
· 在美国受GE专利限制
直驱
· 永磁电机尺寸限制问题
· 价格较高
· 有电机失磁风险
· 可靠性较高
· 国内认同度和市场接受度冲突（好像是不少人认为此技术好，但是市场好像不是接收）
液压驱动
· 不需要变频器，变压器
· 液压驱动系统调速
· 负载平稳过渡
· 同步中压同步电机直接并网
· 新技术需要市场认同
· 液压驱动部件短期类需要进口
· 电网接入较好
· 可靠性较高
· 不过此技术有一致命缺陷，液压驱动部件将长期受外方制约，对于降低造价和供应控制很弱
全功率变频
· 永磁同步电机
· 全负载变频器
· 价格稍高
· 已经有批量运行的风机
· 可靠性较高
从目前的下游配套供应商来看，只有直驱发电机可能配套较难外，其他的技术在1.5MW到2MW机型上应该没有太的的障碍。不过全球产能的瓶颈是要大家共同面对的。