海上风机发展趋势分析.doc

海上风机发展趋势分析1 海上风电机组的发展历程在90年代，Bonus的450kW和Vestas的500kW、550kW、600kW风电机组曾经在早期的近海风电场应用，2000年以后就没有安装过2MW以下的海上风电机组。2001年以后，Vestas公司的2MW和3MW双馈式海上风电机组在欧洲海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型。Vestas公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的35%左右；同样，西门子公司的2.3MW和3.6MW（高速齿轮箱+异步感应式发电机+全功率变流器）海上风电机组也连续十一年在海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型，也是目前海上风电场的主流机型。西门子公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的50%以上。2008年以后，德国Repower公司研制的5MW双馈式异步风电机组已经成功应用于海上风电场，是传统双馈式风电机组大型化的典范。目前在爱尔兰、比利时和德国海上风电场安装运行。该机组风轮直径126米，轮毂高度120米，额定功率5MW,已经安装使用39台。在其基础上扩容的REpower6M也已经安装了3台。近年来，德国BARD公司推出了5MW海上风电机组，风轮直径122米，机舱部分重达425吨，叶片长度为60米，28.5吨。由德国Areodyn公司设计，属于双馈式风电机组大型化的又一个范例。轮毂重量(包括轴承座和其他附加设备) 70吨。机舱(包括发电机，但不包括叶片和轮毂) 280吨。德国 BARD 公司5MW 海上风电机组已经在海上风电场安装18 台，共 90MW；法-德合资的 Areva Multibrid半直驱型5MW风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量超过10台。该机组额定功率: 5 MW；风轮直径:116m。机组采用集成化设计：将风力机的主轴、齿轮箱、高速轴和发电机集成在一起，以减少重量，从而降低成本。传动链为：风轮+单级齿轮箱（1：9.92)+多级永磁发电机。系统采用折中方案，兼顾了双馈式风电机组和直驱式风电机组的优点，折中考虑了性能与价格的关系。此外，2003年GEwind公司的3.6MW双馈式海上风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量7台；芬兰Winwind公司生产的3MW半直驱海上风电机组也于2009年在海上风电场投入运行，安装数量10台。但是后来这两个产品都没有继续进入海上风电场，说明它们的性能还不能适应海上风电场的恶劣环境。2010年以后，中国华锐公司生产的3MW半直驱海上风电机组也已在海上风电场投入运行，目前在海上风电场的安装数量超过50台。2011年，中国上海电气风能公司生产的3.6 MW海上风电机组也有一台在海上风电场投入运行，效果良好。表1、各国海上风电机组在市场中的累计装机容量及所占比例国家英国丹麦荷兰中国德国比利时瑞典爱尔兰挪威葡萄牙累计装机容量（MW）2107.6835.85246.8209.9198.3195163.6525.22.32比例（%）52.8720.976.195.274.974.894.110.630.060.05表2、各种2MW以上海上风电机组在市场中的比例序号产品型号2011年安装容量（MW）2011年市场份额(%)2011年累计安装容量(MW)2011年底累计市场份额1西门子2.3MW48.310.28814.220.422西门子3.6MW18038.311173.629.443Vestas2MW20.4341610.434Vestas3MW0095423.935Repower5MW15031.922105.276Areva(Multibrid)5MW00300.757Bard公司5MW306.38902.268中国华锐3MW5110.851534.7精品文档交流9Winwind公司3MW00300.7510上海电气3.6MW3.60.773,60.09从表2看出：西门子、Vestas和Repower三家公司的产品占2011年底全球累计海上风电市场份额的89.5%;占2011年全球新增海上风电市场份额的81%。Repower5MW占2011年全球新增海上风电市场份额的31.92%,仅次于西门子3.6MW（38.31%）。表明目前5MW以上大功率海上风电机组有明显增长的趋势。2 欧美重点企业新研制海上大功率风电机组的技术特点；2.1丹麦Vestas公司的海上风电机组；面向未来，该公司正在研制164-7.0MWVestas7MW半直驱新型海上风电机组。该机组采用了一个中速齿轮箱、永磁发动机和全功率变流器。随着164-7.0MW Vestas 引进设计选择将推动业主的海上风电收益率到一个新的水平。该机组能量捕获的最大化，不仅是因为有164米直径的巨大风轮，还因为优化了风轮与发电机的比例。由于采用较少数量的大型风力机而减少了运行和管理的成本。减少了投资风险的规模，因为较少数量的风力机也意味着较少的基础和电缆。由于164-7.0MWVestas 的结构设计寿命是25年，产业标准突出，因而使投资商的投资回报实现最大化。这会给业主一个更长的发电期限，并增加业主的商业效益。设计理念是：可靠性高、可预测、保障寿命期性能。尽可能减少维修次数，需要维修时，要做到安全、快捷和低成本。2.2德国西门子公司的海上风电机组；作为世界海上风电领域的领军者，西门子2010年在上海建立了风机叶片制造基地，2011年赢得中国首个海上风电订单，同年10月，西门子风力发电集团亚太区总部落户上海。西门子将为中国带来先进的风电机组技术、国际化项目管理以及海上风电领域的运行经验。面向未来，该公司正在研制SWT-6.0-154直驱式新型海上风电机组。该机组风轮直径154米，风轮轴后倾6。机组额定功率为6MW,风轮直接驱动永磁发电机，结构紧凑，塔架上部重量为仅360 吨。该机组主要特点如下：1)量子（力学）叶片独特的设计和制造程序，采用一体化叶片，为获得最大的强度，实行一体化浇注。为中高速风况优化气动特性，为更高的输出能量而增长了叶片长度。为使根部泄漏最小化并增加升力而设计了叶片根部2）直驱发电机永磁设计。全封闭、容易接近、轻重量设计；在可靠性和效率之间优化设计。与带齿轮箱的风电机组比，整机零件数量减少50%3）机舱坚固轻重量结构。进行了宽敞、人体工程学设计，并具有最大的服务能力。4）冷却系统设计了简单、坚固流畅连接的水冷系统；顶部安装的被动冷却散热器，高效的两级冷却保证良好的效果。2.3西班牙Gamesa公司的G128型4.5MW海上风电机组;西班牙Gamesa公司研制出风轮直径128米、轮毂高度120米的G128型4.5MW高速传动永磁风电机组，机头重量250吨，属于半直驱永磁风电机组大型化的一个范例，该机组采用两段式（碳纤维）叶片；混合式塔筒（混凝土钢），减少投资；内置吊车，便于安装和拆卸部件；该机组采用一个两级传动的行星齿轮箱、永磁发电机和全功率变流器：该变流器由6个并联的770kW变流器（IGBT）组成，提高了可靠性。该机组已有两台安装到现场。2.4美国GE公司的海上风电机组;美国GE公司研制的GE4.1-113型直驱式海上风电机组，风轮直径113米，额定功率4.1MW,采用永磁发动机，是美国GE风能公司首次研制的大型直驱式海上风电机组。2.5德国Enercon公司的7MW直驱励磁风电机组德国Enercon公司安装在比利时11台新一代E-126直驱风电机组,风轮直径127米，采用了1600 吨的履带吊安装。单机容量为7MW；采用2段式叶片，便于运输和现场组装；轮毂高度198米，采用混合式塔筒钢制顶段，其余由混凝土建造，塔底直径为14.5米。该机组采用“蛋形”机舱；新型叶片设计，与机舱罩和导流罩有机融合，使气流均匀地通过机舱，减少湍流和扰流，提高发电量；叶片采用了“小翼”叶尖，可以在风轮平面内抑制生成扰流和旋涡，从而降低噪声，提高发电量；叶片法兰直径大，采用双列螺栓连接。该机组采用励磁发电机，是德国Enercon公司近年来研制的最大型直驱式风电机组。6MW直驱励磁风电机组已经安装3台，其前身6MW直驱励磁风电机组已经安装9台，总安装两量为11台。但是，到目前为止，这种机型还没有在海上风电场安装。2.6远景能源拟开发两叶片3.6MW直驱永磁海上风电机组远景能源公司正在设计E128型3.6MW双叶片风轮直驱式海上风电机组。风轮直径128米，由两个叶片组成。叶片总长度为62米，叶片由根部定桨距部分和叶身变桨距部分两部分组成，号称部分变桨叶片。一部分是根部长度20米的定桨距叶片，一部分是外部长度42米的变桨距叶片。双叶片风轮可通过海上运输船直接整体运输，而且风轮总成可以一次吊装就位，因而节省安装时间和成本。风轮叶片的定桨距部分在25米/秒30米/秒风速范围内仍可工作。2.7法国阿尔斯通公司开发了阿尔斯通(Alstom)Haliade150型直驱式海上风电机组，额定功率为6MW。采用液压冷却的永磁发电机。变流器置于塔架底部空间内。叶片长度为73.5米，没有使用碳纤维，叶片的表面由聚氨酯腹膜覆盖，叶片的迎风边做了抗腐蚀保护性处理。2.8德国Nordex公司正在研制6MW直驱式海上风电机组根据德国Nordex公司的计划，风轮直径150米的N150/6000风电机组样机将于2012在陆地上安装，2013 年在海上安装，并于2014 年投入批量生产。表：3欧美重点企业正在研制的海上大功率风电机组序号公司名称型号功率（MW）技术组合所处研发阶段1Vestas164-7.0MW7中速齿轮箱+永磁发电机+全功率变流器设计研制2西门子SWT-6.0-1546直驱永磁式风电机组+全功率变流器样机试验3GamesaG128-4.5MW4.5中速齿轮箱+永磁发电机+全功率变流器样机试验4GE windGE4.1-1134.1直驱永磁式风电机组+全功率变流器样机研制5EnerconE-1267直驱励磁式风电机组+全功率变流器产品试验6远景能源E-1283.6直驱永磁式风电机组+全功率变流器设计7阿尔斯通Haliade1506永磁式风电机组+全功率变流器设计研制8NordexN150/60006直驱式风电机组+全功率变流器样机制造从表3看出：欧美重点企业面向未来开发的海上风电机组大多数部采用了直驱永磁风电机组+全功率变流器的技术组合。部分企业采用了中速齿轮箱+永磁风电机组+全功率变流器的技术组合。3 我国海上大功率风电机组设计、制造、研发的现状；3.1华锐风电大型海上风电机组研发现状华锐风电6MW海上风电机组已经于2011年10月下线。华锐风电SL6000系列风力发电机组是目前中国第一台自主研发、拥有完全自主知识产权的电网友好型风电机组。可以广泛应用于陆地、海上、潮间带各种环境和不同风资源条件的风电场。该机组风轮直径长达128米，增加了扫风面积，提升了捕风能力，大大提高了风资源的有效利用率；同时可适应于-45 摄氏度的极限温度，并通过了62.5米/秒的极限风速测试。SL6000采用平行轴齿轮传动和鼠笼异步电机技术，保证机组的高可靠性和经济性；通过全功率中压变频技术，使之具有优越的并网特性，电网适应能力强；此外，卓越的低电压穿越能力，可以满足各国电网导则的严苛要求；CMS 在线状态监测系统实时监测机组主轴承、齿轮箱、发电机运行状态，实现故障预诊断；特殊的防腐系统，满足了海上高盐雾和高腐蚀的运行环境；SL6000机组具有大部件自维修系统，使整台风机无需外部吊车即可对齿轮箱、发电机、叶片等核心部件进行更换，从而有效降低吊装维护成本和维护时间，提高机组可利用率。目前，6MW 机组已经吊装完毕，正在处于调试和试运行阶段。华锐的17台6MW海上风电机组已于2011年12月中标上海临港海上风电场一期示范项目，将于近年投入商业运行。这将是6MW海上风电机组在全球范围内的首次大规模应用。3.2金风科技海上风电机组研发现状2010年，装机容量40万千瓦的金风科技2.5MW海上风电机组已经中标江苏潮间带风电场。面向未来，金风科技正在研制6MW直驱永磁式海上风电机组，风轮直径126米，轮毂高度约100米，采用永磁同步风电机和全功率变流技术。目前已经完成整体设计和零部件试制，样机将于2012年6月在江苏大丰海上风电基地下线。3.3东方汽轮机在研制5.5MW海上风电机组，预计2012年下线。3.4湘潭风电海上风电机组研发现状湘电风能5兆瓦风电机组项目整合了欧洲海上风电项目开发经验，采用的永磁直驱海上风力发电机攻克了海上风力发电机组整机集成技术、专有单主轴承同步永磁发电机设计技术、海上风力发电机组冷却系统及防腐防潮设计技术、大功率高叶尖线速度的复合材料叶片等难关，与欧洲已在试运行的几种同功率等级的风电机组比较，具有结构简单、紧凑、运行可靠、单位功率对应质量最轻、便于维护等显著特点。并与欧洲资深海上风电运营商共同打造风机的基础设计及方便快捷的吊装方案。目前，湘电风能已形成XD115/128等一系列5兆瓦风电机组，包括陆地、海上、潮间带系列机型，最长叶轮直径达128米，大大提高了风资源的有效利用率，是技术领先的电网友好型风电机组，具有单机功率大、风能利用效率高、经济效益好等优点。3.5中船重庆海装海上风电机组研发现状海装风电自主研发的5.0兆瓦海上风电机组为变桨变速功率调节、三叶片、上风向、水平轴、高速永磁式并网型风力发电设备，具有技术先进性、高可靠性、可维护性好、电网适应性好等特征，具有低电压穿越能力，采用标准化、系列化、模块化设计，可对风机输出功率进行在线设置。海装公司瞄准国际前沿技术，攻克难关自主研发，拥有全部知识产权。2012年7月27日海装风电自主研发的5.0兆瓦海上风电机组在重庆海装风电总装基地成功下线。该机组采用全功率变流器、机舱全封闭结构+内部空空冷循环系统。机头结构紧凑，重量比同级别风电机组轻15%。3.6上海电气海上风电机组研发现状上海电气3.6MW双馈式海上风电机组已经研制成功，并完成安装调试，正在试运行阶段。3.6MW海上风机风轮直径达116米，采用变速变桨恒频控制，结构紧凑。上海电气3.6MW海上风电机组于2010年8月17日在位于临港的试验风电场中，顺利实现自动并网。截至目前，这台机组始终保持理想的运行状况：18日发电功率达到2700千瓦；19日17时30分，风速达到每秒11米以上，机组经受了22分钟的满发测试，功率、温度、振动等指标均正常。上海电气始终致力于新能源事业的发展，是我国海上风电领先企业之一。上海电气风电设备有限公司经过6年努力，已成为中国第一家同时拥有陆上、潮间带和海上风电机组业绩的企业，先后中标国家海上风电首轮特许权招标以及东海大桥海上风电场二期（扩建）工程设备招标。3.7中国株洲南车2010年，中国南车正在研发5兆瓦WT5000海上风电机组，该型风机采用先进的独立变桨技术（IPC），并针对海上风电的特殊风况进行了多项优化设计。WT5000型风机型同样具备优越的电网适应能力和完全的低电压穿越功能，该型风机目前已经完成了主要部件及系统设计，预计于2012年下线。3.8国电联合动力6兆瓦风电机组下线由国电联合动力技术有限公司研发的具有完全自主知识产权的6MW海上风电机组于2011年12月25日在连云港生产基地成功下线。该6MW机组是国电联合动力技术有限公司在消化吸收1.5MW、2MW和3MW技术及公司3000多台风电机组成功运行的基础上，自主设计研发的变速变桨恒频双馈海上风力发电机组。该6MW风力发电机组采用外齿圈偏航轴承、大型双列圆锥主轴承，以及短主轴的紧凑结构形式，大大减轻了机组的重量；具有独自变桨功能的控制系统，有效降低了大兆瓦风机承受的不均匀载荷；同时还具备低电压穿越能力及动态功率调节功能，使机组具备良好的电网适应性。该机型为海上风电场设计，亦可广泛应用于陆地及潮间带环境和不同风资源条件的风场。6MW机组可谓庞然大物，其轮毂中心高95米，主机舱重量约230吨，尤其值得一提的是其风轮扫掠面积为14519平方米，相当于两个标准足球场，大大提高了捕风发电能力。同时下线的还有与自主研发生产的6兆瓦风电机组配套的叶片。6MW叶片长度为66.5米，是目前国内自主设计和生产的最长的风力发电机组叶片。该叶片生产采用真空灌注的制作工艺，生产效率高；使用高强、高模的碳纤维复合材料，有效降低了重量，进而降低了机组的载荷，性能稳定。3.910MW海上风电机组已经列入国家863项目由金风科技、华锐风电和联合动力竞争开发的10MW海上风电机组已经列入国家863项目。三家的技术路线如下：金风科技采用永磁直驱全功率变流技术，华锐风电采用齿轮箱驱动全功率变流技术，联合动力采用超导技术。直驱永磁式风电机组制造成本略高于双馈式风电机组，但其维护成本低，而且发电效率可比双馈式风电机组高5%左右。表：4我国重点企业正在研制的海上大功率风电机组序号公司名称型号功率（MW）技术组合所处研发阶段1华锐风电SL60006高速齿轮箱+双馈发电机+变流器产品试验2金风科技SWT-6.0-1546直驱永磁式风电机组+全功率变流器样机试验3东方气轮机5.5高速齿轮箱+双馈发电机+变流器样机试验4湘潭电机XD115/1285直驱永磁式风