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看風電設備他山之石—美國風電設備

2010-05-21 08:38:02 慧聰機械工業網

風能利用在美國具有悠久的歷史,大約幾個世紀以前,美國人利用風車等裝置將大自然中的風能轉化為機械能用來粉碎稻谷和提水。1888年,CharlesF.Brush發明的12kW直流風力發電機,是風能利用技術發展過程中的一個里程碑,標志著風能利用從機械能轉化跨入電能轉化應用的時代。Brush發明的風機葉輪直徑達到17m,由144個木質葉片組成。此后的50年中,離網型小型獨立發電系統一直是美國風能利用的主流技術。直到20世紀30年代,第一臺交流風機在美國安裝運行。然而,由于大型并網電力技術的高速發展而且化石燃料成本低廉,所以并網電力成本快速下降,成為主要的能源來源。在化石燃料壟斷的電力市場中,風力發電不可能成為主流發電技術,可有可無地緩慢發展。進入70年代,能源供應安全和化石能源枯竭的危機成為美國經濟增長和社會穩定面臨的巨大挑戰,開發化石能源的替代能源成為包括美國在內的許多國家能源戰略的重要內容,在這種背景之下風電受到廣泛的注意和重視,作為先進的能源儲備技術,在80年代以后,進入快速發展時期。

20世紀80年代初風力發電機開始興起,到今天歷經20年的技術創新和商業推廣,風力發電機已經成為一種重要的大型并網發電技術。丹麥、德國、荷蘭、西班牙和美國是風力發電機機發展的大國和強國,掌握最先進的風力發電機技術和控制技術。20世紀70年代,風力發電機直徑只有10m,發電容量在22~35kW之間;如今的風力發電機直徑達到80m,發電容量達到幾個兆瓦。單機裝機容量的不斷提高,促進了風力發電機技術的商業推廣。20年來風力發電機技術發生了很多轉變,可變角度葉片代替了固定角度葉片,直接驅動代替了機車驅動,變速轉換系統代替恒速轉換系統。除此之外,風能發電系統的控制技術不斷成熟,生產材料性能不斷優化。風電技術發展的主要趨勢是,一是要開發適合于海上風電場的大型風力發電機組,充分利用海上的風能資源;其次是拓寬市場促進小型風力發電機系統發展,包括出口到發展中國家的農村地區。近年來在美國,小型聯網機組(10kW)的應用非常普遍。

20世紀70年代OPEC成員國減少石油產量,實行石油禁運,使美國人第一次意識到化石能源的供應危機,1970年地球日的大規模群眾運動表明能源問題受到美國民眾的普遍關注。以此為契機,美國政府積極鼓勵包括風電技術在內的可再生能源技術的研發,應對化石能源危機。1973年,美國能源部風力發電機項目組研制出水平軸和垂直軸風機。過去10年中,聯邦政府每年向風電投入的研發基金約4000萬美元。

美國共有將近70家小風機生產企業,占全球小風機生產企業數量的34%。在美國有21家企業在生產垂直軸小風機。至少有10家美國企業在制造或計劃制造安裝在建筑物上的小風機。美國制造商占全球小風機銷售的49%,出口占美國制造商銷售的28%。美國銷售的小風機有94%是由美國制造商生產的。美國銷售的50-100kW的小風機中有四分之一是用于風力和柴油混合發電,主要用于偏遠地區。美國小風機(容量在100kW以下)市場近年增長了78%。這一增長主要是由于私營資本的投資使得制造能力大大增加業界預測美國未來5年內小風機市場會增加30倍。

1、美國是世界上風力發電增長最快的國家,已經持續四年創下風力發電容量記錄.

2美國大部分地區的風力發電都呈現增長,德克薩斯州處于領先地位,發電量為7,118兆瓦,13個州超過500兆瓦,7個州在1000兆瓦以上,3個州在2000兆瓦以上.愛荷華州和明尼蘇達州有超過10%的電力來自風力發電.

3市場增長刺激了制造業投資.風力發電的增長促進了渦輪機的生產.

4近年風力渦輪機的價格和裝置成本持續增長.但是由于金融危機,風能發電需求減少,從而渦輪機的價格也降低.風力發電績效長期以來已經有了改進,但是近幾年呈平穩狀態.

5、風力發電保持經濟競爭力.盡管裝置成本增加了,但是近幾年風力發電的價格持續在傳統發電價格以下.但是隨著近幾年批發價的下降,近期風力發電的經濟地位變得更具挑戰性了.

世界各國不僅在風能開發利用方面的投資將持續增長,而且風力發電設備制造業將成為許多國家最熱門的經濟領域,相應的市場規模也將急劇擴大。

現狀

美國發揮技術和裝備優勢

據報道,美國將利用其技術和裝備優勢,使風能發電發揮更重要的作用。美國能源部新能源管理機構最近指出,盡管目前風能發電僅占全美電力生產比重的1.5%,但這一比重在2010年可達9.5%.2020年后可達15%。

近年來,美國風力發電技術已有重大改進,主要表現在:改進了風力發電設備的葉片設計,普遍使用風向傳感元件、采用自動控制系統,減少了人力和降低了成本。

據報道,美國政府正在大力推動風力發電設備制造業,使其成為21世紀重要基礎能源裝備產業。據預測,2010年以前,美國以及歐洲將出現風力發電設備更新換代高潮,屆時將有大批陳舊的風力發電設備被淘汰,因此風力發電設備市場前景十分樂觀。

近年來,美國風力發電技術已有重大改進,比如改進了風機葉片設計,普遍使用風向傳感元件、采用自動控制系統、減少了人力和降低了成本。由于采用了新技術,特別是應用新材料和電子控制系統,美國風力渦輪發電裝置安裝成本已從1984年的每千瓦3700美元,降至2006年的485美元,預計2008年可降到每千瓦300美元以下。1984年,美國的風力發電成本每千瓦小時需20美分,目前是3美分,可與常規發電成本相競爭。

現在的風機比以往更大,效率更高,性能也更穩定。通用電氣生產的1.5兆瓦風機能同時滿足460戶人家的用電需求,高達100米(相當于32層樓的高度),旋翼長70米(比波音747飛機的翼展還要長)。 [page]美國風力發電站的建設勢頭迅猛,而另一方面,風機制造的產量卻低于去年。人們期望通過風力發電設備的制造能夠提供更多的綠色就業崗位,但是其前景還難以預測。為了使美國發展成為風力發電設備制造大國,同時提供新的就業機會,國家必須長期致力于擴大可再生能源的開發利用和投資。

趨勢

小風機預計到2013年末會達到1700兆瓦,其中大部分增長得益于美國國會于2008年通過的八年期30%的聯邦投資稅收抵免。

國際風力發電設備制造業及相關領域的市場前景十分廣闊,風力發電設備制造業的迅猛發展,不僅能使企業取得良好的效益,還將為人們創造出眾多的就業機會。

美國十分重視發展新型風機,10年前單臺風機發電能力一般為50千瓦,目前已增至300—500千瓦甚至更高.2002年,一臺容量為600千瓦的風機在夏威夷安裝。制造風機葉片的材料,已普遍采用強度高而比重輕的復合材料,一些尖端的航空、航天技術現在已用于風機系統。

效率提升

1、葉片:把效率從將近32%提升到42-45%

2、交流發電機:把效率從65-80%提升到90-92%

3、逆變器:逆變器效率提升空間不大。

設計

1、繼續增加掃風面積以捕捉更多能量。這包括使用新的復合材料和成型工藝。

2、減少系統中部件的數量。

3、研究和閃電、腐蝕、軸承潤滑、發電機絕緣及電子部件相關的可靠性問題。

4、減少單位容量材料用量。

5、減少移動部件的使用。

6、改善低風狀況下的風機性能。

7、考慮把更多大風機技術融入到商業規模的小風機(21-100kW)設計中,例如齒輪箱、機械制動、變槳距葉片等。

其他

1、采用先進的塔架材料設計以減少安裝時間和費用。

2、開發可以更準確的預測給定地點風機能源生產的流程和工具。

3、建立一個強大的接受過良好培訓的安裝工和經銷商網絡。

4、開發先進塔架基座減少安裝時間。

5、開發無線基于網絡的風機性能監測能力,以把現場檢測的頻率降到最低。

6、繼續開發和支持性能標準、認證和第三方設備測試機構。

 

 




責任編輯: 中國能源網

標簽:風電 設備 美國