破解了并网瓶颈的新型风力发电系统
2012-04-24 11:12:22 来源:
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电力18讯:
传统能源面临枯竭,以石油和煤炭为主的化石能源对环境的污染越来越严重,已严重威胁着人类可持续发展。环境压力越来越大,都使得各国加大了可再生能源开发力度。开发高效、清洁、环保可再生能源已成为全人类研究发展的首要目标。近30年来,新能源发电技术发展迅速,产业规模、经济规模和市场化进程逐年提高。在各类绿色能源中,风能是前景潜力巨大的可再生能源之一,风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式,已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时,风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。
但是,现有的风力发电技术还有一些无法克服的缺陷。我们知道,风能有间歇性和随机性的特点,当风速发生变化时,风电机组的输出功率也跟着变化,从而影响电网的电能质量。风力发电的供给与需求很难协调起来,这就使得风力发电的年有效利用小时数远远不及常规发电厂,并且维持电网的稳定运行十分费力。至今,供电商一方面必须暂时保留传统的发电厂,以便在突然无风时填补空白;另一方面,在风力强劲时又不得不关闭维持最低负荷的传统发电厂,以便接收从风力转换而来的峰值电流。电网如何接纳间歇性、波动性能源,到现在还是个技术难题。所以,风电一直被认为是垃圾电。为保持供电的稳定性,每建一个大型风电厂,同时需要建设数倍规模的火电(水电)与其配套,这无形中大大抵消了风电的低碳优势!也使得风电难以成为电力供应的主要来源,在目前的技术水平下,风电只能作为一种补充性能源而不能作为替代能源来使用。业界普遍认为,必须发展风电蓄能技术才能解决此难题。在风力丰富时将多余电量储存,当风力下降时用储存电并入电网,保证并网电量稳定。只有把风力发电技术和储能技术结合起来,取长补短,优势互补,才能使风力发电真正成为替代化石能源发电的新兴可再生能源。
迄今为止,中国风电产业规模和装机容量都已经达到了世界第一,发展之快令世界惊叹!目前中国大量引进的是欧洲的风电技术,是以海洋性气候发展起来的高风速风电机,欧洲的风电技术发展了几十年,发电效率低、并网稳定性差、故障率高的问题始终没有解决。在我国陆地使用问题更加突出,首先造成“装机容量大而发电量低”现象发生。其次是并网稳定性差,对我国大规模风电场建设形成瓶颈,存在“风小发不出电,风大又并不了网”的现象,风大风电机会变的不稳定,容易形成冲击电流,造成并网困难,大规模风电机并网至今仍是世界难题。这些问题严重影响到中国和世界风电产业的健康快速发展。巨大的投资并没有给我们带来大量的绿色风电,大部分风电场的亏损运营给风电产业的发展带来了负面影响,投资难以为继,补贴不堪重负,这样的技术如何能够长久持续的发展?因此,必须加强技术创新,破解风电发展中存在的技术瓶颈才是促进风电产业发展的唯一出路!
现在,出现了一种新型风力发电技术―“拉线塔式风力抽水蓄能发电厂”,这项新型风力发电系统全面破解了现有风电技术存在的大部分技术瓶颈,对于传统风电来说是一个颠覆性的创新,有可能使风力发电产业进入一个全新应用的时代。
这项新型风力发电技术不是走的欧美国家风电技术发展的老路,而是充分利用现有成熟的中型风力发电机技术(输出功率在200KW--300KW左右),对现有风力发电机塔筒部分进行了大幅度改进,把风机支撑塔改成衍架式拉线塔的形式,将多座拉线塔按一定间距排列组合在一起,相邻拉线塔之间每隔一定高度都用拉绳牵拉在一起,形成一个牢固的整体。在每一座拉线塔上从下到上安装有多台风力发电机,使风力发电机的安装从平面化转向立体化,从而使单位土地面积上容纳的风力发电机数量大大增加,大幅度提高了土地利用率。一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂至少能容纳1500多台中型风力发电机,而且还可以随意扩大规模,规模越大,风电厂的单位千瓦造价就越低。
在承载风力发电机的拉线塔下面的地面上修建有高位蓄水池和低位蓄水池,高位蓄水池与低位蓄水池之间存在一定高度差(水头)。在高位蓄水池与低位蓄水池之间的机房内安装有很多变频调速器、大功率电动水泵和水轮发电机。风力发电厂内所有风力发电机发出的电能全部并在一起给很多台变频调速器供电,通过变频调速器驱动很多台大功率水泵抽水,把低位蓄水池里的水抽到高位蓄水池中。高位蓄水池中的水流到低位蓄水池里的过程中带动水轮发电机发电,从而完成风能到电能的转换,这就相当于给一座风力发电厂配上了一座抽水蓄能电站。
由于是采用水轮发电机发电输出电能,因此这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂具有很强的调峰能力。当电网的用电高峰到来时,控制系统就自动增加投入运行的水轮发电机数量;当电网的用电低谷到来时,控制系统就自动减少投入运行的水轮发电机数量,使这种风力发电厂的输出功率与用电负荷相匹配,从而使风力发电厂实现了正向调峰功能。而现有的风力发电厂都是反向调峰的,没有正向调峰能力。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的投资效益大大高于现有的风力发电厂。由于使用了蓄能水库作为缓冲蓄能器,在用电低谷时,风力发电机发出的多余电能转变成水的势能暂时储存在上水库中,等到用电高峰到来时再把水的势能转化成电能输送出去。在任一时刻,风力发电机发出的电能都能被充分利用,不存在弃风的问题,因而使这种风力发电方式的年利用小时数大幅度增加,而年利用小时数就决定了风力发电厂的投资效益。风力发电厂的年利用小时数越多,投资效益就越高。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂使用的风力发电机是在现有成熟的中型水平轴三浆叶式风力发电机的基础之上稍加改动而成(风力机上的发电机使用的是廉价的三相交流同步发电机);拉线塔是在现有塔式起重机技术的基础上改造而成。其他的如水轮发电机,变频调速器,大功率电动水泵等设备都可以使用现有的成熟产品。至于蓄能水库的建造和水轮发电机的安装使用等等也都是利用现有的水利水电技术来完成,所以,建造这种风力发电场的技术门槛是很低的,易于大规模普及应用。与现有的风力发电产业比较起来,广大民营资本和企业能够更轻易地进入到这个行业中发展壮大。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂不使用昂贵复杂的电子变流和变频设备,风力发电机部分使用的风轮叶片、支撑轴、增速齿轮箱、三相交流同步发电机和偏航机构等零部件的功率都是在200KW到300KW之间,体积与重量都不大,维修保养和更换都非常方便。在每一座拉线塔的顶部都装有一台塔式起重机,随时配合设备的维修更换,不用花高昂的费用去雇用大型吊车,维修保养费用很低。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂里面安装的所有设备和零部件都不使用价格容易发生大幅度变化的稀土和其它贵重稀有材料,原材料供应有充足保障。
这项新型风力发电技术由于加入了抽水蓄能技术而一举克服了现有风力发电技术不能储能,不能调峰和并网难等技术瓶颈,彻底解决了风能发电的间歇性瓶颈,使输出电能的质量达到了水力发电站的水平,能够直接替换现有火力发电厂或其他化石能源发电形式,真正起到绿色替代能源的作用。中国的风电产业如果按照这种形式发展,绝不会出现产能过剩问题,产业规模可以无限制地扩大,逐渐替换严重污染环境的火力发电厂,具有可持续发展能力,前途无量。
这项新型风力发电技术是原始性创新,拥有自主知识产权(专利申请号:201110301680.7),不存在国外知识产权的限制,不会受制于人。而且当这个产业发展壮大之后,还可以到国际市场上大显身手,引领世界风电产业发展的新潮流!
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的建造成本和建成以后的收益率在理论上是可以直接推算出来的。在整个风电厂的建造投资方案中,不可预知的投资只占很小一部分,绝大部分投资都是可以预先推算出来的。风电厂建成后多长时间能收回成本以及运营期间的收益率在投资建造风电厂之前就能准确推算出来,这给投资人提供了可靠、准确的投资参考依据,能把投资风险降到最低。
下面,举一个例子推算一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂建成后的收益等情况。
设定在风力发电厂中高位蓄水池是由一圈围堰大坝构成,整个高位蓄水池长2100米,宽2000米,与低位蓄水池的落差(水头)为19米,高位蓄水池中储存水的平均高度为20米,高位蓄水池的蓄水总量为2100*2000*20=8400万立方米。当高位蓄水池蓄满水时储存的能量约为328万千瓦小时。高位蓄水池中能安放152座拉线塔(按照纵向间距200米放9排,横向间距100米放18列,每一侧斜拉线占200米距离)。位于边缘部位的每一座拉线塔从下到上安放7台300千瓦的风力发电机。位于内侧的每一座拉线塔从下到上安放14台300千瓦的风力发电机。风力发电机的总数是1778台,总装机容量为1778*300千瓦=53.34万千瓦。按照抽水蓄能电站70%的转换效率来确定水轮发电机的装机容量,是53.34*70%=37.33万千瓦。按照年利用小时数3500小时计算,年发电量能达到37.33万*3500=13亿千瓦小时。如果上网电价按照0.6元/千瓦小时计算,年平均收入可达到13*0.6=7.8亿元。在这里还没有把CDM(清洁发展机制)等附加收入算进去。
现在粗略估算一下这座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的建造成本:风电厂的蓄能发电部分参照一般抽水蓄能电站的造价暂定为4000元/千瓦,那么这一部分的总造价是37.33万*4000=14.93亿元。抽水设备(包括变频调速器和水泵等)定为700元/千瓦,总价为53.34*700=3.73亿元。每一座拉线塔(连同顶部的塔式起重机)定为100万元,每一墩拉线塔支撑底座定为100万元,152座拉线塔的总造价为152*200万元=3.04亿元。每一台风力发电机(300KW)的造价定为70万元(包括风轮叶片,支撑轴,齿轮箱,发电机,回转支承轴承,偏航电机和机舱等),1778台风力发电机的总价为1778*70万元=12.45亿元。以上几项加在一起总共是14.93亿+3.73亿元+3.04亿元+12.45亿元=34.15亿元,折合成每千瓦造价为34.15亿元/373300=9148元/千瓦。这个造价与现有风电厂的每千瓦造价差不多。如果这个风电厂平均年收入是7.8亿元,那么用不到4年半(34.15/7.8=4.37年)的时间就可以收回全部投资。
当中国有很多地方政府都在计划打造新能源产业基地,要把新能源作为当地的支柱产业来发展。这项可产业化程度很高的新型风力发电技术的对于某一个地方政府来说,是大规模发展新能源产业的一个绝佳的机会。这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂需要用到数量极为庞大的风电叶片、主支承轴,增速齿轮箱、回转支承轴承、三相交流同步发电机、偏航机构、变频调速器、水泵、水轮发电机、支承铁塔和塔式起重机等技术含量不高,比较容易制造的零部件。这些零部件的制造和使用能够形成一个非常庞大的产业链集群。如果一个地方政府以这项新型风力发电技术为依托,建立起这样一个庞大的产业链集群,必将对当地的经济发展起到极大的促进作用,而且不会出现产能过剩问题。
在气候变化问题日益严峻的今天,人类摆脱化石燃料依赖已经成为必然的趋势,可再生能源的发展势不可挡。“拉线塔式风力抽水蓄能发电厂”这一新型风力发电技术必将在未来的新能源发展进程中发挥出巨大的作用!
传统能源面临枯竭,以石油和煤炭为主的化石能源对环境的污染越来越严重,已严重威胁着人类可持续发展。环境压力越来越大,都使得各国加大了可再生能源开发力度。开发高效、清洁、环保可再生能源已成为全人类研究发展的首要目标。近30年来,新能源发电技术发展迅速,产业规模、经济规模和市场化进程逐年提高。在各类绿色能源中,风能是前景潜力巨大的可再生能源之一,风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式,已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时,风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。
但是,现有的风力发电技术还有一些无法克服的缺陷。我们知道,风能有间歇性和随机性的特点,当风速发生变化时,风电机组的输出功率也跟着变化,从而影响电网的电能质量。风力发电的供给与需求很难协调起来,这就使得风力发电的年有效利用小时数远远不及常规发电厂,并且维持电网的稳定运行十分费力。至今,供电商一方面必须暂时保留传统的发电厂,以便在突然无风时填补空白;另一方面,在风力强劲时又不得不关闭维持最低负荷的传统发电厂,以便接收从风力转换而来的峰值电流。电网如何接纳间歇性、波动性能源,到现在还是个技术难题。所以,风电一直被认为是垃圾电。为保持供电的稳定性,每建一个大型风电厂,同时需要建设数倍规模的火电(水电)与其配套,这无形中大大抵消了风电的低碳优势!也使得风电难以成为电力供应的主要来源,在目前的技术水平下,风电只能作为一种补充性能源而不能作为替代能源来使用。业界普遍认为,必须发展风电蓄能技术才能解决此难题。在风力丰富时将多余电量储存,当风力下降时用储存电并入电网,保证并网电量稳定。只有把风力发电技术和储能技术结合起来,取长补短,优势互补,才能使风力发电真正成为替代化石能源发电的新兴可再生能源。
迄今为止,中国风电产业规模和装机容量都已经达到了世界第一,发展之快令世界惊叹!目前中国大量引进的是欧洲的风电技术,是以海洋性气候发展起来的高风速风电机,欧洲的风电技术发展了几十年,发电效率低、并网稳定性差、故障率高的问题始终没有解决。在我国陆地使用问题更加突出,首先造成“装机容量大而发电量低”现象发生。其次是并网稳定性差,对我国大规模风电场建设形成瓶颈,存在“风小发不出电,风大又并不了网”的现象,风大风电机会变的不稳定,容易形成冲击电流,造成并网困难,大规模风电机并网至今仍是世界难题。这些问题严重影响到中国和世界风电产业的健康快速发展。巨大的投资并没有给我们带来大量的绿色风电,大部分风电场的亏损运营给风电产业的发展带来了负面影响,投资难以为继,补贴不堪重负,这样的技术如何能够长久持续的发展?因此,必须加强技术创新,破解风电发展中存在的技术瓶颈才是促进风电产业发展的唯一出路!
现在,出现了一种新型风力发电技术―“拉线塔式风力抽水蓄能发电厂”,这项新型风力发电系统全面破解了现有风电技术存在的大部分技术瓶颈,对于传统风电来说是一个颠覆性的创新,有可能使风力发电产业进入一个全新应用的时代。
这项新型风力发电技术不是走的欧美国家风电技术发展的老路,而是充分利用现有成熟的中型风力发电机技术(输出功率在200KW--300KW左右),对现有风力发电机塔筒部分进行了大幅度改进,把风机支撑塔改成衍架式拉线塔的形式,将多座拉线塔按一定间距排列组合在一起,相邻拉线塔之间每隔一定高度都用拉绳牵拉在一起,形成一个牢固的整体。在每一座拉线塔上从下到上安装有多台风力发电机,使风力发电机的安装从平面化转向立体化,从而使单位土地面积上容纳的风力发电机数量大大增加,大幅度提高了土地利用率。一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂至少能容纳1500多台中型风力发电机,而且还可以随意扩大规模,规模越大,风电厂的单位千瓦造价就越低。
在承载风力发电机的拉线塔下面的地面上修建有高位蓄水池和低位蓄水池,高位蓄水池与低位蓄水池之间存在一定高度差(水头)。在高位蓄水池与低位蓄水池之间的机房内安装有很多变频调速器、大功率电动水泵和水轮发电机。风力发电厂内所有风力发电机发出的电能全部并在一起给很多台变频调速器供电,通过变频调速器驱动很多台大功率水泵抽水,把低位蓄水池里的水抽到高位蓄水池中。高位蓄水池中的水流到低位蓄水池里的过程中带动水轮发电机发电,从而完成风能到电能的转换,这就相当于给一座风力发电厂配上了一座抽水蓄能电站。
由于是采用水轮发电机发电输出电能,因此这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂具有很强的调峰能力。当电网的用电高峰到来时,控制系统就自动增加投入运行的水轮发电机数量;当电网的用电低谷到来时,控制系统就自动减少投入运行的水轮发电机数量,使这种风力发电厂的输出功率与用电负荷相匹配,从而使风力发电厂实现了正向调峰功能。而现有的风力发电厂都是反向调峰的,没有正向调峰能力。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的投资效益大大高于现有的风力发电厂。由于使用了蓄能水库作为缓冲蓄能器,在用电低谷时,风力发电机发出的多余电能转变成水的势能暂时储存在上水库中,等到用电高峰到来时再把水的势能转化成电能输送出去。在任一时刻,风力发电机发出的电能都能被充分利用,不存在弃风的问题,因而使这种风力发电方式的年利用小时数大幅度增加,而年利用小时数就决定了风力发电厂的投资效益。风力发电厂的年利用小时数越多,投资效益就越高。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂使用的风力发电机是在现有成熟的中型水平轴三浆叶式风力发电机的基础之上稍加改动而成(风力机上的发电机使用的是廉价的三相交流同步发电机);拉线塔是在现有塔式起重机技术的基础上改造而成。其他的如水轮发电机,变频调速器,大功率电动水泵等设备都可以使用现有的成熟产品。至于蓄能水库的建造和水轮发电机的安装使用等等也都是利用现有的水利水电技术来完成,所以,建造这种风力发电场的技术门槛是很低的,易于大规模普及应用。与现有的风力发电产业比较起来,广大民营资本和企业能够更轻易地进入到这个行业中发展壮大。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂不使用昂贵复杂的电子变流和变频设备,风力发电机部分使用的风轮叶片、支撑轴、增速齿轮箱、三相交流同步发电机和偏航机构等零部件的功率都是在200KW到300KW之间,体积与重量都不大,维修保养和更换都非常方便。在每一座拉线塔的顶部都装有一台塔式起重机,随时配合设备的维修更换,不用花高昂的费用去雇用大型吊车,维修保养费用很低。
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂里面安装的所有设备和零部件都不使用价格容易发生大幅度变化的稀土和其它贵重稀有材料,原材料供应有充足保障。
这项新型风力发电技术由于加入了抽水蓄能技术而一举克服了现有风力发电技术不能储能,不能调峰和并网难等技术瓶颈,彻底解决了风能发电的间歇性瓶颈,使输出电能的质量达到了水力发电站的水平,能够直接替换现有火力发电厂或其他化石能源发电形式,真正起到绿色替代能源的作用。中国的风电产业如果按照这种形式发展,绝不会出现产能过剩问题,产业规模可以无限制地扩大,逐渐替换严重污染环境的火力发电厂,具有可持续发展能力,前途无量。
这项新型风力发电技术是原始性创新,拥有自主知识产权(专利申请号:201110301680.7),不存在国外知识产权的限制,不会受制于人。而且当这个产业发展壮大之后,还可以到国际市场上大显身手,引领世界风电产业发展的新潮流!
这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的建造成本和建成以后的收益率在理论上是可以直接推算出来的。在整个风电厂的建造投资方案中,不可预知的投资只占很小一部分,绝大部分投资都是可以预先推算出来的。风电厂建成后多长时间能收回成本以及运营期间的收益率在投资建造风电厂之前就能准确推算出来,这给投资人提供了可靠、准确的投资参考依据,能把投资风险降到最低。
下面,举一个例子推算一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂建成后的收益等情况。
设定在风力发电厂中高位蓄水池是由一圈围堰大坝构成,整个高位蓄水池长2100米,宽2000米,与低位蓄水池的落差(水头)为19米,高位蓄水池中储存水的平均高度为20米,高位蓄水池的蓄水总量为2100*2000*20=8400万立方米。当高位蓄水池蓄满水时储存的能量约为328万千瓦小时。高位蓄水池中能安放152座拉线塔(按照纵向间距200米放9排,横向间距100米放18列,每一侧斜拉线占200米距离)。位于边缘部位的每一座拉线塔从下到上安放7台300千瓦的风力发电机。位于内侧的每一座拉线塔从下到上安放14台300千瓦的风力发电机。风力发电机的总数是1778台,总装机容量为1778*300千瓦=53.34万千瓦。按照抽水蓄能电站70%的转换效率来确定水轮发电机的装机容量,是53.34*70%=37.33万千瓦。按照年利用小时数3500小时计算,年发电量能达到37.33万*3500=13亿千瓦小时。如果上网电价按照0.6元/千瓦小时计算,年平均收入可达到13*0.6=7.8亿元。在这里还没有把CDM(清洁发展机制)等附加收入算进去。
现在粗略估算一下这座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的建造成本:风电厂的蓄能发电部分参照一般抽水蓄能电站的造价暂定为4000元/千瓦,那么这一部分的总造价是37.33万*4000=14.93亿元。抽水设备(包括变频调速器和水泵等)定为700元/千瓦,总价为53.34*700=3.73亿元。每一座拉线塔(连同顶部的塔式起重机)定为100万元,每一墩拉线塔支撑底座定为100万元,152座拉线塔的总造价为152*200万元=3.04亿元。每一台风力发电机(300KW)的造价定为70万元(包括风轮叶片,支撑轴,齿轮箱,发电机,回转支承轴承,偏航电机和机舱等),1778台风力发电机的总价为1778*70万元=12.45亿元。以上几项加在一起总共是14.93亿+3.73亿元+3.04亿元+12.45亿元=34.15亿元,折合成每千瓦造价为34.15亿元/373300=9148元/千瓦。这个造价与现有风电厂的每千瓦造价差不多。如果这个风电厂平均年收入是7.8亿元,那么用不到4年半(34.15/7.8=4.37年)的时间就可以收回全部投资。
当中国有很多地方政府都在计划打造新能源产业基地,要把新能源作为当地的支柱产业来发展。这项可产业化程度很高的新型风力发电技术的对于某一个地方政府来说,是大规模发展新能源产业的一个绝佳的机会。这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂需要用到数量极为庞大的风电叶片、主支承轴,增速齿轮箱、回转支承轴承、三相交流同步发电机、偏航机构、变频调速器、水泵、水轮发电机、支承铁塔和塔式起重机等技术含量不高,比较容易制造的零部件。这些零部件的制造和使用能够形成一个非常庞大的产业链集群。如果一个地方政府以这项新型风力发电技术为依托,建立起这样一个庞大的产业链集群,必将对当地的经济发展起到极大的促进作用,而且不会出现产能过剩问题。
在气候变化问题日益严峻的今天,人类摆脱化石燃料依赖已经成为必然的趋势,可再生能源的发展势不可挡。“拉线塔式风力抽水蓄能发电厂”这一新型风力发电技术必将在未来的新能源发展进程中发挥出巨大的作用!
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