一项破解了并网难题的风力发电系统.doc

一项破解了并网难题的新型风力发电系统 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。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。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一代可再生能源。 拉线塔式风力抽水蓄能发电厂这一新型风力发电系统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，并且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（见图1到图3）。一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂至少能容纳1800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建有机房，里面安装有很多变频调速器、大功率水泵和水轮发电机等设备，如图4所示。 在这种风力发电厂内，每一台风力发电机输出的 三相交流电经过励磁稳压、全波整流和滤波后变成相同直流电压并联到公共直流母线上，公共直流母线另一端通到机房中，连接多个变频调速器（见图5所示）。变频调速器驱动大功率水泵抽水，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。 与传统的风力发电厂相比，这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂有以下几个突出的特点：1、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，从而使风力发电厂具有了正向调峰能力，因此这种风电厂的输出并网性能与水电站不相上下，而现有的风电厂都是反向调峰的。 2、这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的投资回报率大大高于现有的风电厂。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，因此使这种风力发电系统的年利用小时数大幅度增加，从而大幅度提高了投资回报率，缩短了投资回收期。 3、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、变频调速器和水泵等设备都可以使用现有的成熟产品。 至于抽水蓄能电站的设计建造和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，建造这种风力发电厂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。 4、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适用功率都是在100KW到300KW之间，体积与重量都不大，维修保养和更换都非常方便。并且在每一座拉线塔的顶部都装有一台塔式起重机（见图6所示），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。5、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。 6、这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂由于使用立体化的风力机支撑方式而使得单位土地面积上容纳的风力发电机数量大幅增加，因此土地利用率高。7、因为风力发电机组的成本在整个风电厂的总投资成本中占的比例比较小，不到三分之一，所以这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的单位千瓦造价与现有相同容量的风力发电厂单位千瓦造价相差无几，不会大幅度增加建造成本。8、这种新型风力发电系统是原始性创新，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，在一定时期内能够垄断开发和经营，在市场竞争中处于非常有利的地位。并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投资回报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。风电厂建成后运营多长时间能收回成本以及运营期间的投资回报率在投资建造风电厂之前就能准确推算出来，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，举例粗略推算一座拉线塔式风力抽水蓄能发电厂的建造成本以及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（用某一种规格水轮发电机的技术参数推算得出）。高位蓄水池中能安放158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米水平距离）。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1862台，总装机容量为1862*300千瓦=55.86万千瓦。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55.86*70%=39.1万千瓦。按照年利用小时数3500小时计算，年发电量能达到39.1万*3500=13.68亿千瓦小时。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13.68*0.6=8.2亿元。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39.1万*4000=15.64亿元。抽水设备（包括变频调速器和水泵等）定为700元/千瓦，总价为55.86万*700=3.91亿元。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，158座拉线塔的总造价为158*200万元=3.16亿元。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，同步发电机，回转支承轴承，偏航电机和机舱等），1862台风力发电机的总价为1862*70万元=13.04亿元。以上几项加在一起总共是15.64亿+3.91亿元+3.16亿元+13.04亿元=35.75亿元，折合成每千瓦造价为35.75亿元/391000=9144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8.2亿元，减去维护管理费8000万元，一年净收入是8.2-0.8=7.4亿元,那么用不到5年（35.75/7.4=4.83年）的时间就可以收回全部投资。这种拉线塔式风力抽水蓄能发电厂还可以很方便地改造成一种大规模低成本风力发电制氢系统。如果要做成风力发电制氢系统，只要去掉风电厂中抽水蓄能发电部分，并且在拉线塔下面安装大功率电解水制氢设备，用风力发电机发出的直流电并联起来直接供给电解槽制取氢气，就能够实现用风能大规模低成本制取氢气。（见图7）下面，举例粗略推算一座拉线塔式风力发电制氢系统的建造成本：按照上面所述，一个拉线塔组合由158座拉线塔构成，每一墩拉线塔价格定为100万元，每一墩支撑底座连同安装制氢设备的房间价格定为50万元，这部分的总造价为158*150万=2.37亿元。1862台风力发电机的总价为1862*70万元=13.04亿元。每一墩拉线塔下面安装一套制氢量500立方米/小时的大功率电解水制氢设备和一些附属装置，价值约为400万元，这部分的总造价为158*400万=6.32亿元。以上几项加在一起总共是 2.37亿元+13.04亿元+6.32亿元=21.73亿元。1862台风力发电机的总输出功率为1862*300千瓦=55.86万千瓦。按年利用小时数3500小时计算，平均一年的总发电量是55.86*3500=19.55亿（千瓦时）。按照平均消耗6度电出一立方米氢气计算，一年可产氢气19.55亿/6=3.25亿立方米。按照一立方米氢气价值2元来计算，一年的总收入是3.25亿*2=6.5亿元。减去维护管理费5000万元，一年净收入是6亿元，由此得出投资回收