我國風電設備制造技術現狀及發展建議

    太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產生溫差,從而引起大氣的對流運動形成風,其攜帶的能量即風能。風吹動風機旋轉從而帶動發電機旋轉發電稱風力發電即風電。風能是太陽能的一種轉化形式,是一種不產生任何污染排放的可再生自然能源。與太陽能、生物、地熱和海洋能發電相比,風電是當前技術和經濟上具商業化規模開發條件的新能源。
    能源是經濟社會發展的重要物質基礎,要實現2020 年我國GDP 翻兩番的宏偉目標和國民經濟的持續高速增長,僅靠常規能源難以解決能源和電力短缺。占電力供應70 %的煤電燃料―――煤炭,探明的剩余開采儲量為1 390 億t ,按2003 年開采速度16. 67億t/ a ,僅能維持83 a ,還將帶來嚴重的環境污染。我國的石油資源不足,天然氣資源也不夠豐富,天然鈾資源短缺。我國水能資源經濟可開發量為4. 02億kW ,年發電量1. 7萬億kW?h ,再經過20～30 a 的開發,70 %左右將被開發完,僅靠水能是解決不了我國電力短缺的。
    我國的風能資源十分豐富,根據氣象局估計,我國10 m 高度以內可開發利用的地表風電能源約為10 億kW ,其中陸地2. 5億kW ,海上7. 5億kW ,如果擴展到50～60 m 以上高度,風力資源將有望擴展到20～25 億kW。因此,風力發電是我國能源可持續發展的現實而重要的選擇。
    風電機組(主要指并網風電機組) 是風力發電的核心設備,其投資約占總投資的60 %～80 %。風電機組的生產和制造水平也是反映一個風電發展水平的重要因素,因此由進口轉化為國產,可大大降低風電廠的投資,從而有力地促進風電的快速發展。
    1我國風電設備制造技術現狀
    我國自1983 年山東引進3 臺丹麥Vestas 55kW 風力發電機組,開始了并網發電技術的試驗和示范。“七五”至“九五”期間把風電機組列為重點攻關項目,并制訂了一些優惠政策,鼓舞我國風電廠的建設士氣和制造業發展風電機組生產技術的熱情。1986～1993 年,共建12 個風電廠,裝機容量達到13 300 kW ,年均裝機1 662. 5 kW; 1994～1999 年, 風電( 包括21 個風電廠) 共裝機249 050 kW ,年均裝機41 508 kW。
    我國風電廠新裝風機的單機容量經歷了階躍式發展。1992～1996 年主力機型為200～300 kW 機組,1997～2002 年則為600 kW 機組。截止2002 年底,我國累計風電裝機中各容量風電機組的份額見表1 ?！?
    我國風電機組中單機容量在310. 1～749. 9 kW的占絕大多數。這是我國1997～2002 年風電發展所取得的成果。
    截止1999 年底,我國風電廠共安裝國產機組29 臺,總裝機容量8 350 kW ,機組臺數和裝機容量分別占風電的4. 9 %和3. 2 %。目前風電廠安裝的國產機組生產來源主要有兩種,一種是自行科技攻關的樣機或后續生產的幾臺機組,由于技術和質量問題,需要繼續改進;另一種是引進國外先進技術或與國外廠商合作生產的,部分部件用國產的替代,如輪轂、發電機和塔架等,且基本上能夠正常運行。通過支付技術轉讓費引進全套制造技術或與國外公司合資生產等方式。我國目前基本具備生產600kW 機組的能力,國產化率可達90 %。
    我國從1984 年研制200 kW 風電機組到現在已經過了20 多年,國產風電機組在我國尚未占有一席之地,可見完全靠自己研制來提高風電機組制造技術是很不夠的。
    2 我國與先進制造技術的差距
    上先進的風電設備制造商主要在丹麥(風電機組產量占市場一半份額) 、德國和美國。德國是上風電機組臺數及容量多的,也是風電技術的,其風電技術的演化路徑和發展趨勢,在一定程度上代表了風電技術的發展路徑和發展趨勢。增大單機容量、提高能源轉換效率、降低風電成本是風電技術的改進目標。影響單機發電容量的物理參數包括葉輪直徑和軸心高度。到20 世紀90 年代后期,已能生產MW 級風電機組,隨著近海風電技術的推廣,3～5 MW 級的風電機組在市場中的比例日益提高。1989～2002 年,德國風機平均軸心高度增加1 倍,葉輪直徑增加2 倍,發電容量提高了10 倍左右。
    現代風能利用技術的核心技術之一是控制調整能量輸出的穩定性。風力發電機的調節技術有兩種手段:一是槳距不變,依靠發電機的調節適應不同轉速的輸入,確保電力輸出的穩定性。定槳距調節技術的優點是調節簡單可靠,控制也可大大簡化,缺點是槳葉、輪轂、塔架等主要受力部件受力增大。二是依靠變化槳距調節風機轉速,保證電機轉子轉速的穩定性。變槳距調節技術的優點是能夠對各種不同的風速調節槳距,控制能量輸出,其對風速的調節范圍更寬,缺點是調節程序和工藝設計復雜。但從風電的調節技術發展趨勢來看,變槳距調節技術正在逐漸取代定槳距調節技術,變槳距變速調頻是上先進的主流技術。
 目前我國風電裝機的主力機型是600 kW 機組,而2000 年后風電市場的主力機型是兆瓦級的,且近海風電機組單機容量達到3～5 MW。從風機葉片的直徑、軸心高度和風電機組的調節技術上,我國與先進水平差距亦較大。但近年來,我國風電機組制造技術提高迅速,可望在不遠的將來縮小和趕上風電設備制造的先進水平。
    3對我國風電建設的幾點建議
    我國能源結構及能源可持續發展必須滿足國民經濟可持續發展的要求。為此,大力發展風電和快速提高風電設備制造技術水平是我國能源建設的當務之急。根據目前我國風電設備的制造技術現狀以及與先進技術的差距,提出如下幾點建議。
    3. 1 　制訂風電發展的優惠政
    在發改委的統一領導和管理下,制訂風電建設的優惠政策,調動各方面的積極性,大力發展風電,建議主要采取以下政策措施:
    (1) 規定電網管理部門允許風電就近上網,并收購全部上網電量;
    (2) 按發電成本加還本付息、合理利潤的原則確定上網電價,高出電網平均電價部分,建議開征礦石能源消費稅進行補償,風電價格實行動態管理,每年進行核算和調整,使各方面保持發展風電的積極性;
    (3) 風電設備生產企業屬高新技術產業,享受相關的減免稅政策;
    (4) 制訂政策導向的風電建設及風電設備制造技術的技術標準,如風電廠的建設規模和新裝風電機組單機容量要達到一定規模及容量要求等。
    3. 2 　在引進設備的同時引進制造技術
    建議通過100 萬kW 級大型風電廠建設,要求并鼓勵項目法人在風電設備的采購招標文件中明確:國外制造商要與國內設備制造商聯合投標,國外企業為責任方,國內企業為分包商,并附上明確分包比例,簽訂設計、制造、維修等技術轉讓協議。如果一個100 萬kW 級風電廠引進一家先進水平風電設備制造技術,幾個100 萬kW 級風電廠就能把上頂尖的風電制造技術引入到我國的風電制造企業中來,從而降低風電設備費和風電廠的建設成本,促進風電建設的大力發展。
    3. 3 　引進消化注意過程控制
    建議投入一定的配套資金支持國內企業進行生產設備的改造更新,并注意:
    (1) 招標前,國內外風電設備企業在與項目法人和設計單位交流時,國內企業就要積極參與,從中了解國外企業的信息;
    (2) 在招投標階段,積極為國內企業創造條件,尋找國外愿意轉讓設計制造技術的合作伙伴,簽訂轉讓協議,參與投標;
    (3) 在中標簽合同階段,國內企業要積極參與問題澄清、合同談判,將轉讓協議作為合同附件,具備法定效力; 
    (4) 在工程的設計階段,國內企業與國外企業聯合設計,并參與項目法人、工程設計單位與國外企業舉行的各次設計聯絡會,從而掌握風電設備的設計與工程設計或具體工程的結合;
    (5) 生產設備改造后,在外方的指導和監督下具體制造分包的部分;
    (6) 在分包制造取得一定經驗的基礎上進行整體制造;
    (7) 無論是國外制造還是國內制造,國內廠家都應參加設備的安裝調試及試運行,從中發現問題,以利更好地提高產品質量或找到改進的著眼點。
    3. 4 　引進消化后再創新
    在引進消化基礎上,建議國內企業根據兩方面的要求進行再創新。① 根據安裝調試和試運行過程中發現的問題以及運行單位提出的要求,有針對性地進行改造,使引進的風電設備更完善,性能指標更高,運行更可靠,從某種意義上講這也是一種創新。②在引進消化的基礎上結合我國風能資源特點研發新型的風電機組設備。如我國兩大風帶(三北地區及東南沿海) 的風力資源與歐洲、北美的差別較大,北方有寒冬低溫、沙塵問題,南方有臺風、抗腐蝕、防雷電問題,在引進風電設備的基礎上結合我國的具體情況進行研發,就能使引進的技術再創新。