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如何用新技术的发展来降低风力发电成本

——D.L.霍夫曼日T.S莫林斯基马尼托巴水电局（加拿大）

概要：

风力发电是一种清洁和可再生能源技术的发电，最常用的是通过用三个叶片的风力涡轮缠绕在一个高塔顶（80米-100米）。

虽然风力是最常用的发电量较大，如公用事业大型风力发电机组（1.5兆瓦-3兆瓦的大小），容量较小（500千瓦）风力发电机也被用于商业和社区项目，但是近乎是计划实用尺度的三倍。

不管是全世界还是在马尼托巴省，在风力作为发电的一部分有着广泛和浓厚的政治兴趣。

。

在风能做为商业化技术的一个新的动力上的兴趣也日益增加，因为它是清洁，可再生，并能解决气候变化，空气污染问题和能源安全。

因此，风力发电是发展最快的新一代技术，并且这种增长的速度有可能持续数年。

尤其是在马尼托巴省，迫切需要实现其他的风力发电一般有两个主要原因：

第一，假设风力发电在本地或在出口市场是供电一种经济的替代。

第二，　　有这样一种想法，风力发电等提供多样化的供应协助设施用来更好的抵御农村地区在干旱时水轮发电机组，市政当局用财产税和土地租金来弥补其成本较高。

风力发电的经济主要依赖于当地风力涡轮机提供所需的位置和任何可用的奖励来帮助减少资本或者营运费用的金额。

此外，有降低发电成本的其他发电方式，如热能或水力，它们和风力发电的竞争使得风力发电在某些地区缺少吸引力。

风力涡轮机和辅助设备技术的发展是可持续国际化方向，强调改进部件成本效益和可靠性，如齿轮箱，塔，叶片和感应设备。

关键词：

容量因子——在一段时间内，实际电源的输出的功率与它整个时间内有操作时满额定功率的比。

需求反应——是指经营者使用系统管理机制的电器来管理客户需求响应的供应。

风电穿透——通常定义为一个区域内农场的发电机（MW）总容量是所有发电类型（MW）中最大容量的风。

1.风力发电增长

全球风力增长了26％（2005年），25％（2006年），和27％（2007年）装机容量是59GW（2005），74GW（2006年），94GW（2007年）1,3,4,5。

加拿大的风力发电装机容量增长了113％，2006年（是上一年两倍）和2007年的27％（共计1.85GW）2。

2007年美国曾在上一年风力发电装机总容量增加了45％（增加了5.2GW共计16.8GW）。

因此，使风能发展最快的发电技术之一，并可能在这一增长速度将持续数年。

使用每年平均35％的容量因子（世界风能协会），以及最新的发电统计（2006年），风力发电占所有来源的电力总生产的0.75％（加拿大），0.88％（美国），和1.31％（国际），因此，是有重大增加的空间。

到2010年，预计世界风力发电量比2006年将超过翻一番，到2030年至少是5倍（2006年）5。

2.风电穿透功率极限

风电穿透功率极限一般定义为所有的风电场发电机（MW）的最大容量与在所在地区所有发电机的总容量（MW）（风能，水能，热等）的比。

尽管业内专家在此前（2000年）建议，风能限于10％的普及率限额（以保护电力传输网的完整性），通过运营经验和更先进的仿真建模这些新的证据表明，20％的风电穿透很可能使最小的电网公用事业营运困难。

但是，这通常是在升级传输系统成本的开支，这将加快穿透水平3。

丹麦目前正在运行的风力发电是电力网系统的20％，这是世界上最高的。

丹麦计划到2025年增加风电渗透到50％，使用像需求反应（DR）的一些智能电网技术，并通过控制对电力系统负荷电力来整和更多风力发电到输电网。

DR重点在减少或增加的负载来匹配风力资源的可变性。

控制机制可以切换负载（即水和空间加热器，或在将来，通过V2G电动车充电）的开关是为下面的风力发电的波动。

那么，平衡发电量的总数（调整率和负载下面的储备）运行电力系统所需的比没使用DR的少。

3.风电经济学

对马尼托巴省的大型公用基础的风力发电场（100兆瓦或更大）来说，已安装的风力发电投资成本从$1,500/kW（$2003CAD）增加至$2,100/kW（$2008CAD）。

要不是近期走强的加元减轻了成本的增加，不然2008年的成本会更高。

费用增加的主要由于重要商品价格上涨如钢铁（塔和发动机舱建筑用），铜（建筑用的发电机），和石油树脂（用于叶片建设），以及供求不足拉动成本。

风力发电的经济可行性，取决于以下几个因素：

1）可用风力资源；

2）安装成本和资本成本；

3）运营和维护费用；

4）风力整合成本；

5）传输线的互连及电网升级成本；

6）提供补贴或奖励的价值；

7）客户愿意为风能支付的额外费用。

4.风力涡轮机技术的发展

风力涡轮机的变得越来越大，因为需要提高输出功率，以及相关的经济规模。

输出功率与转子与风接触的面积（大叶片相当于与风接触的面积能输出更高的功率）成正比。

当使用大涡轮时成本明显降低因为小涡轮需要组成风电田，这意味着：

涡轮负载需要更少，风电涡轮机间的电缆需要的更少，需要较少的维护（更少的涡轮机），农业的干扰越少（与同一地区发出相同的电量的几个较小的风力涡轮机单位相比）。

在北美，2003年至2008年一般风力发电机组安装了一个1.6MW的容量和在2000年安装了超过2倍容量的风力发电机组（750KW）。

在过去5年，在北美更新的以地面为基的风力涡轮机平均中心高度是80米。

2007年12月，在得克萨斯州的风力发电场新构建了31维斯塔斯3MW风力发电机组，它们中心高度是105米（在北美是以地面为基的风力涡轮机中最高的中心高度）。

现在欧洲的一些标准陆基风力发电估计有6MW7。

这些涡轮机（EnerconE-126）是目前世界上最大的陆基涡轮机，有127米转子直径，中心高度是135米。

海上风力发电机大到8MW，有着140米的中心高度，目前正在丹麦的Høvsøre测试站8测试。

即使是较大的，12MW海上风力发电机组正在准备测试，并在海拔270米运行。

虽然较大的涡轮机在有关成本和输出功率显着的优势，它们的大小仅为叶片和现在高大型材的运输制造了困难。

高的发电塔达到更高的风速是因为减少垂直风切变的效果（估计风速从一个海拔到另外一个）由于表面粗糙度（从树木，山丘，建筑物等），导致了更高的风速在高海拔地区。

为了确定最佳风力发电塔高度,成本的材料　　构建成本，建立更高的楼，增加风速，在更大的高度差,并且在大涡轮输出功率而来的额外的收入必须加以考虑。

因用100米的塔比80米的塔增加了9.3%的输出功率，将会适度的减少电力的平准价格。

然而，在某些时候收益将会减少是由于建设成本太高。

参见图1：

风力发电机组大小的比较。

对比于在风力涡轮叶片设计中的涡轮机大小先进技术，叶片设计继续于它的持久使用与更有效风力涡轮叶片。

为了与6级（8.6-9.4m/s在80m）风力下实现相同的涡轮输出功率，在4级风力下的风力涡轮机必须增加近乎40%的叶片长度。

然而，叶片长度的增长完成在叶片成本没有不利的上涨。

随着风电发展的持续增长，对可获取高风速区数目减少。

因此，如果风速增长继续，则需要开发技术来有效的降低工作中的风速。

叶片材料不断发展，集中于复合材料的使用（工程材料通常是高分子树脂组成，如碳或玻璃纤维）。

传统的转子叶片是由增强玻璃纤维的复合材料建成。

自此以后，其他复合材料，如碳纤维增强聚合物材料（CFRP）已显示优越属性玻纤（更轻，强度更高，更强），但仍较为昂贵。

自此以后，其他复合材料，如碳纤维增强聚合物材料（CFRP）已显示玻纤优越属性（更轻，强度更高，更强），但仍较为昂贵。

随着风电发展的持续成长，可获取高风速地区越来越少。

因此，如果这样持续增长下去，则在低风速区要发展新技术来制定成本效率是必要的。

叶片材料不断发展，复合材料的使用是重点（工程材料通常由高分子树脂组成，如碳或玻璃纤维）。

传统的转子叶片是由增强复合材料的玻璃纤维构成（玻璃纤维）。

自此以后，其他复合材料，如碳纤维增强聚合物材料（CFRP）已显示玻纤优越属性（更轻，强度更高，更强），但仍较为昂贵。

这个比例的纤维组件比起聚合物树脂能够使被测试的叶片达到最大值降低成本和减少生产时间,虽然仍然保持叶片9的质量。

由荷兰的卡特能源公司BV开发的一种新的涡刀片技术，声称他们开发的叶片整体效率净提高5％，减少涡轮质量10。

这在效率提高的原因是一个三角形地带（涡旋发生器），这是隶属于一个螺旋桨叶片的凸面。

这旋涡发生器直接使圆形刀片上表面气流的气动升力显著的提高。

更好的和更稳定的升力考虑到对减少叶片宽度的使用，导致传动系统上更低的压力，因此，与传统的玻璃纤维的刀片相比，成本降低约2.6％。

5.新风速度感应设备

一个新的由丹麦DEIF公司开发的叫WSS（风传感器静态）的风速传感器是一种超声波（高频率的声音不被人耳听到的）静态风速传感器，它能够在极端天气情况运行。

因为它没有移动部件，它不需要维修或保养11。

见图2DEIF的静态风传感器

图2DEIF的静态风传感器

Etesian技术公司（总部设在美国）还制造了风速传感器的设备，它是自供电，无线，从自我经营，包含永磁交流发电机的风力，它可以无线数据传输到300英尺以外供电。

布线是没有必要的并能减轻辅助设备的损害，如数据记录仪和控制系统，是极不可能的，因为它是储存在传感器12中。

6.综述风力技术的完善

当前研究的其他领域（目前其中一些正在实地测试）侧重于风力发电机的成本效益是：

1）独立的先进的螺距调节考虑到减少组合转子速度的负荷，转子方位（转轴的角度相对于正北）和叶距与流入角度（空气流进叶片的角度）的测量。

与10％加长叶片一起，这些控制措施，预计将减少6.3％能源消9耗。

2）电力电子用碳化硅（SiC）。

碳化硅半导体材料实现了更低的损失，更高的温度，比标准的硅半导体的开关速度更快，所有这些都助长了能源消耗减少和减少了转换器中的所需材料。

当前碳化硅设备价格预计将到20099时减少一半。

3）合金钢/混凝土和混凝土风力发电机塔的施工费用成本比钢管塔的少33%。

现场浇注混泥土的成本预计比钢管塔9的高63%。

4）槽钢塔（使用LITS表格®）有可能减少投资费用，否则在运输和钢管安装塔。

自动装配的凹槽设计的创新是更轻，不需要用厚重的基底，并且薄的金属板9可以运到工地。

5）如来自挪威的ScanWind公司也都制定自动装配的起重机塔，以尽量减少成本（仅小型起重机将需要安装过程13。

6）汽轮机控制的LIDAR（激光雷达），可用于远程控制在大气中风速。

激光雷达技术控制通过从自然气溶胶的灰尘，花粉（粒子，飞沫等在大气中）的多普勒频移光散射检测风速。

激光雷达的预先警报允许（探测范围为15-100公里距离）的风速波动，可以通过该实用工具用于调整，更经济调度负荷下列准备。

7.风力发电机的新技术

风力的限幅器（在美国的风能技术，涡轮制造和项目开发公司）已经在过去的几年在风力发电技术的发展取得了重大的进展。

限幅器已经发展出一种低风速涡轮被称为限幅器2.5MW的自由汽轮机，这种与传统涡轮配置相比具有能够降低成本和提高效率。

这些成就是通过降低驱动机构的重量，用更高的塔，在转子设计技术的进步（以减少负荷，增加转子直径）来完成的。

涡轮C-93系列的自由限幅器模型高93米它的转子75米高，这个目前已安装是在怀俄明州.限幅器开发了分布紧凑型两阶段螺旋齿轮设计（DGEN-Q）。

四轴高速输出轴的转子主轴的扭矩载荷与四个标准发电机的变速箱相比降低了四倍。

这种设计还使用两个预装，低速锥形滚轴的主轴承来更好地吸收轴向载荷，防止损害，减少停机时间并延长涡轮寿命。

在自由的齿轮组系列涡轮可以使用车载葫芦没有切除整个齿轮箱,从而进一步降低运营成本,因为大型起重机是不是必需的14。

参见图3：

风力帆船量子分布式发电功率列车。

图3：

风力帆船量子分布式发电功率列车

另一个新的发电机技术是在挪威ScanWind-Windformer，利用一个无齿轮直接驱动的永磁转子和高电压同步发电机定子绕