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小型风力发电机叶片设计与制造的研究|风电技术发展创新的热点在哪里?

2021-10-17 19:56:57浏览:199 来源:中国吊装网   
核心摘要:风力发电技术发展创新热点在哪儿?风力发电作为新能源的一种,其创新的之处不仅在于其所利用的资源是新型能源,更在于风力发电的发展更多依靠技术创新驱动发展,而不是化石能源时代依靠大自然赋予的能源资源。成本降低主要依靠创新驱动风力发电已经。由于风力发电的技术创新较少,类似的应用持续了非常长的时期,而且当时的风能利用设备尺寸较小。在发明了风力发电机这一巨大的革命性创新之后,风能利用从此开辟了新的应用场景。

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文丨孙丽萍

风电作为一种新能源,其创新不仅在于其使用的资源是新型能源,而且风电的发展更多地依靠技术创新带动发展,而不是依靠能源赋能。在化石能源时代,自然而然。资源。无论是化石能源还是新能源,能源都是经济社会发展的基础,为社会提供廉价能源是扩大发展规模、提升能源系统地位的基础。降低化石能源成本的主要途径是依靠大自然赋予的丰富资源,快速抢夺化石能源资源来降低成本,而化石能源的技术依赖于技术创新。降低成本主要依靠创新驱动风力发电。风电在今天取得了举世瞩目的成就,成为许多国家的重要电力来源,是风电产业不断技术创新的体现。展望未来,风电将在全球和中国电力能源中占据重要地位。权威机构预测,未来约三分之一的碳将由风电提供。目前,风电已经从依靠补贴的发展阶段进入平价时代。在没有政府补贴的情况下,风电产业的发展需要依靠技术创新来实现技术进步。企业之间的竞争表现在创新能力的不断竞争上。持续创新是实现风电高比例化的必然要求,因此哪些技术创新热点值得关注,需要深入研究。

一、 风电发展历程及技术创新

风能的利用历史悠久,应用范围广泛。早期的风能利用装置受技术限制,主要以纯供电为主。早在公元前几个世纪,人们就利用风提水、灌溉、磨面、捣米。埃及尼罗河上的帆船和中国的木制帆船都有两三千年的历史。可见二手易胜博ysb88备用网址,帆船已被广泛用于河流航行。由于风力发电的技术创新较少,类似的应用持续了很长时间,而且当时的风能利用设备体积较小。

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随着空气动力学的发展,风能的利用效率较传统的应用方式有了很大的提高。风力涡轮机的应用已经从提供旋转动力的传统设备发展到用于发电的设备,甚至建造了风电场。

1888年,Charles Brush建造了第一台直径17米、144片雪松木叶片、12千瓦功率的大型风力发电机。在发明了风力涡轮机的巨大革命性创新之后,风能的利用从此开辟了新的应用场景。当时,相关公司获得了大量的业务量,就是将原来的风车改造成了风力发电机。新技术的发展为当时的风电公司创造了新的业务增长点。但当时的风机叶轮相当复杂,叶片数高达144片,而现在的叶片数只有2-3片。从风力涡轮机发电到二战时期,风力发电的发展相对缓慢。

二战期间,丹麦风电公司发明了2-3片叶片的风力发电机,大大提高了发电效率。这也是常用的风电叶片模式。从二战到1970年代后期中东石油危机,风电主要是通过离网发电解决美国、欧洲等国家电力短缺的问题,风电产业发展十分迅猛。减缓。

随着风力发电技术的进步,风力发电机组的功率不断增加,主要应用场景逐渐从离网扩展到并网。进入20世纪,70年代中东石油危机划定风电发展阶段。1970年代以前,风电的发展主要以离网发电为主。离网风电主要解决美国、欧洲等偏远无电地区的供电问题。

1970年代至今,风电现代化发展阶段呈现出单机规模显着增加、商业化迅速、竞争力显着增强、离网向并网过渡. 风电行业呈现出这些新特征,主要得益于全球对能源安全的关注度提高、环保意识的增强以及风电自身经济竞争力的提升。末期中东石油危机引起了全球对能源安全的高度关注,能源革命受到高度重视,发达国家普遍开始研究和推动可再生能源的发展。这一阶段风电发展迅速。从过去,离网发电主要用于并网应用。这种跨越式发展的实现,主要得益于1980年至1981年发展起来的55kW风力发电机的出现。随着这种风力发电机的诞生,风力发电的每千瓦时成本下降了50%左右。

进入80年代后,风电进入蓬勃发展和现代化阶段,风电技术取得长足进步。到2020年,风电成为许多地区发电成本最低的电源,为风电规模化发展奠定基础;风电已成为许多国家电力系统中的重要电源小型风力发电机叶片设计与制造的研究,在丹麦等许多欧洲国家的发电量中占有重要地位。比例超过10%。

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二、 大型风机核心技术要求进一步升级

发展风电,首先要了解和认识风能资源的特点。风能实际上是太阳能资源的另一种形式,主要是由于太阳对地球大气层接收到的太阳辐射不同、地球表面的不规则形状以及地球的自转造成的。风能资源评估是风电开发、选址和风电场运营的关键环节。我国不同地区的风速变化特征明显不同,如过水、植被或地形等。目前,随着风电的发展,已逐步从以陆上集中式风电为主向海上风电与分散式发电协同推进的发展模式转变。

推动风力发电成本降低主要从提高风力发电额定功率、增加风轮毂高度和扩大风电叶片直径三个方面着手。技术创新的方向主要围绕这三个方面展开。

(1)单机功率

主要是由于风电机组单机容量的增加,可以减少风电场安装的风电机组数量。在给定功率下,更少的运动部件有助于提高系统的运行可靠性,并降低辅助系统(如机械、电子、控制、电缆和塔架)的平均成本。,这有助于降低系统成本。

(2)轮毂高度

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由于风能的分布特性在垂直方向受地面植被影响显着,低高度气流场变化的扰动更为复杂。增加轮毂的高度可以使用更高质量的风能和更高的风速。稳定性也有利于风机稳定可靠的运行,如下图所示。

图1 风机轮毂高度变化

(3)叶

随着风力发电机功率的增加和风力发电机叶片长度的不断增加,未来风力发电机叶片将需要满足新的需求。如果将以往的叶片材料和叶片设计直接应用于更长的叶片,肯定无法适应风扇的运行。一方面小型风力发电机叶片设计与制造的研究,如果刚度不够,叶片可能会与塔架发生碰撞。另一方面,叶片太重,柔韧性差,难以适应多变的风速环境。叶片过重导致成本显着增加。未来,随着叶片创新需要满足新的要求,需要足够的刚性避免撞塔,需要灵活性以不断适应不断变化的风况,

三、下一阶段风电发展对关键部件技术创新提出更高要求

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齿轮箱是风​​力发电机的关键部件之一,其核心部件是轴承。轴承是对风机可靠性影响最大的部件,在我国属于风电领域的卡颈技术。长期以来,我国在风电零部件领域主要依赖国外进口,主要是轴承。随着风电行业平价时代的到来和海上风电的快速发展,大型风电机组的趋势进一步加速。但是,适应规模化发展对关键零部件提出了更高的要求。随着全球风电行业的不断发展易胜博ysb88备用网址,行业平均单机功率逐渐增加,大功率风电机组整体占比也稳步提升。风电轴承的尺寸随着风电装机容量的增加而增大,其加工难度也成倍增加。

(1)当前状态

风电机组长期处于野外,运行环境恶劣,对轴承的性能要求很高。同时要求轴承20年免维护。据中国轴承协会在高端轴承技术路线图中介绍,目前风电主轴轴承主要被SKF、舍弗勒、铁姆肯、Rotheyede等国外公司垄断。

中国风电轴承市场份额相对较小。从产品种类来看,我国生产的轴承多为中小型轴承,中大型轴承产量占比较小,不足13%。但中大型轴承单套价格较高。目前国内部分轴承厂家可以生产,但主要集中在2MW及以下风电轴承。3MW及以上风电轴承,由于技术难度高,国内生产还处于起步阶段。国内企业风电轴承出货量主要集中在门槛较低的偏航和变桨轴承。

(2) 挑战

从国际形势看,发达国家实施“再工业化”和“制造业回归”战略,力图抢占高端市场,不断扩大竞争优势,而新兴经济体则依靠资源等比较优势。大力发展加工制造业。随着我国同质化竞争的形成,轴承行业自然面临着追赶前后的双重挤压。

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从国内环境看,能源、资源、劳动力等生产要素成本快速上升,生态环境更加紧张。这些因素对风电设备相关企业的经营产生了严重的负面影响。

从行业来看,我国轴承行业的研发能力相对薄弱,高端轴承国产化还没有取得突破。轴承企业基础研发积累不足,行业重复建设、过度竞争依然严重。未来如何提升高端轴承等高端制造业的竞争力,是新一轮科技和产业革命的重要挑战。希望《中国制造2025》多关注这方面。

受我国基础零部件、基础材料、基础技术、基础共性技术研发不足的制约,我国重大技术装备和智能制造装备制造水平不高,缺乏高端、精密基础零件加工专用制造设备反过来又限制了基础零件和基础材料的生产。

参考

1. Veers, P., et al., 风能科学的巨大挑战。科学,2019. 366(6464).

2. 风扇轴承长期依赖进口

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