大型风电机组投资价值不高之技术解析

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核心提示： 日前国家已将风电设备列为“产能过剩”行业，但是面对节能减排与气候变化的紧迫形势，面对风电不足全国发电总量1%的供电份额(到目前为止全国大型风电安装总量也不过几万台)，面对广泛丰富的风能资源及其在可再生能源领域中最具发展空间、潜力的品种，刚刚兴起的风电设备行业无论如何也不应成为被列对象，因此我们不难从中解读出另外一个层面的含义：市场对大型风电设备的技术现状不满意，不满意的表象是“产能过剩”？

4 g; Z& m/ o2 q, o& H0 e! l/ N      日前国家已将风电设备列为“产能过剩”行业，但是面对节能减排与气候变化的紧迫形势，面对风电不足全国发电总量1%的供电份额(到目前为止全国大型风电安装总量也不过几万台)，面对广泛丰富的风能资源及其在可再生能源领域中最具发展空间、潜力的品种，刚刚兴起的风电设备行业无论如何也不应成为被列对象，因此我们不难从中解读出另外一个层面的含义：市场对大型风电设备的技术现状不满意，不满意的表象是“产能过剩”？
　　的确，在当前的大型风电建设中，“成本高、效力低、故障多、功能少、拓展难”是各个相关方面长期抱怨与公认的5大现实表象，这同时也是构成风电“产能过剩”表象与投资价值不高的5大主要起因，因为难于被投资者大量认可买单从而形成产能过剩，而透过这些表象均可从对现有大型风电机组整体形态与结构的技术解析中获得直接的因果成因答案，其中的有些因果成因关系又可形成交叉复合，即：一个起因会导致多个表象的显现或是使之影响程度进一步扩展；反之亦然，一个表象可由多个起因形成，因此难于完全逐条对位细分清楚，以下就从其主要表象与结构的因果关系入手进行一番概要的对位分析：
　　1.成本高成因的技术解析
) H6 _6 p: {4 }5 _# L　　无论任何形态类型的风电机组，其有效采风面积、采风能力及在单位乘风面积上能够形成的乘风强度和乘风出力位置所能形成的驱动旋转力臂的大小是决定风轮出力能力高低的直接原因。
　　从现有形态大型风电机组的叶片上看，其是采用攻击角度的乘风出力方式，因此叶片难于形成更为宽大的乘风幅面规格的设计，而采用超长放大单一风轮叶片长度的方式所能形成的整体有效乘风面积的增加量是十分有限的，难于将单一风轮叶片的乘风面积设计很大；
　　而从超长叶片的重量与形成乘风出力面积与乘风力臂的分布形态上看，现有大型叶片接近50-60%的重量却是集中在叶根部或是接近于叶根部且部分还呈现圆形，主要作用是形成对超长叶片根部的支撑能力，没有能够形成乘风出力作用与乘风面积，而在远离主轴可形成较大旋转力臂导致形成实际有效旋转力矩的叶尖部又是那么窄小（物理学上的力矩(M)指使推动物体转动的力(F)乘以到转轴的力臂距离(L)：即：M=F×L）。
$ Y1 ?# |  a! R6 H4 d" {  i8 F* H　　可见，当前风轮的大直径设计没有导致相应比值大出力能力的形成，因而难于形成有效功率设计的大幅度提高（这同时也是导致效力低、拓展难的成因之一）。而在设备单机出力能力不能形成很大条件下所形成的设备综合成本必定会很高，因为现有设备大型风电结构复杂，从而每个机组均要形成各个方面的支撑结构、运行功能、调节控制、传输设备等的具全俱备。
　　2.效力低成因的技术解析
　　在风力强度相同的条件下，当前的大型风电单一叶片超长加大设计的直接结果将导致其风轮旋转速度的降低，导致齿轮箱传动比值加大，超长叶片还将导致塔筒效应与振动效应的明显显现；
　　叶片长度加大必然要求加强其叶根部的结构强度设计，因此还将导致叶片体积重量的庞大【目前1.5-2兆瓦叶片已达18t左右；而3兆瓦已达30t；而5兆瓦……10兆瓦呢，按照惯性思维应该50t……100t？）】，因为惯性所致又将导致在低风速状态下难于驱动超重叶片启动旋转，因此难于形成更多的投资收益获得时空。
　　此外，调控方式的单一是形成效力低表象的另一重要原因，因为在自然界风力加大的时刻立刻采用转桨泻风的调控方式又将导致强风时刻增多收益能力的丢失，这尤其是在3-5兆-10瓦及其以上设计功率下将表现的愈加明显。
　　3.故障多成因的技术解析
　　现有大型风电机组的整体设计形态导致其调控需求复杂，种类繁多，甚至延伸到对每一个叶片乘风姿态的随时调控上，调控机构、结构与部件需求多，从而导致故障发生机会的增加；而其整体设计形态又导致其对于多数零部件的材料与制造的品质与规格要求已经大大超出普通机械设备部件的要求能力范畴，非高价与进口产品能够胜任，而这又是导致成本高的原因。大型风轮旋转速度减慢导致的齿轮箱传动比设计需求的大幅度提高也是形成故障高的起因（结构复杂又是导致成本高的起因之一）。
4 m/ {9 r. k, x: r: V　　此外，与技术发源地比较，中国的高寒、高强风力、高强阳光的应用环境也直接对于超长悬空力臂风轮叶片（高分子材料）与连接机械结构及其耐久性应用构成更大程度的威胁（即使是在技术发源地，也时常听到叶片发生断或者裂的事故），而电力设备的高空设置（高空冬夏冷热剧烈变化影响与不方便日常维护）与偏航系统携带电线电缆旋转的对风方式也是造成故障多的诱因。
　　4.功能少成因的技术解析
　　大型风电机组应该拥有更多的功能效益表现，以适应风电建设中十分复杂的应用需求与状况变化，特别是风电机组在实现大型化之后应该同时具备更大幅度、更高效能与更多方式的调控手段与调控形成能力与其形成效果的配合，如只采用转桨改变出力的调控方式难于满足优势化的应用需求与风力强度的巨大范围变化，从而将减少投资收益的程度。
　　何况，通过变化风力攻击大型叶片角度的转桨调控方式所形成的调控准确性与成效性值得商榷，其或是成为导致当前大型风电不稳定的成因之一？（注：通过叶片转桨调控是轴流式水轮机出力调控的方式，但与通过导水机构控制的水电站水流水压与密度进行比较，自然界的风力要不稳定的多，稀疏的多，此外通过采用叶片攻击角度变化调控也难于完全适应自然界风力强度的不断变化，可能发生驱动力的漂移与驱动力的变化，导致风电稳定性的下降）。
) \# d1 \  \1 U' h　　更为大型的风电机组必须采用“多发电机系统”以适应大型风机对于风力强度大范围变化的调控和巨型风电机组对出力能力大范围变化的大幅度调控(注：当风机设计功率超过3-5-10兆瓦及以上功率能力后，对于大型风力机出力能力大幅度范围变化的适用性要求就会愈加强烈，以使其能够充分利用各种风力强度形成风力发电与实现其运行速度的宽幅调控。这与过去中小型定桨式风电机组“被动”采用双发电机进行调控的出发点不同，创新技术是“主动”采用多发电机并且形成与另外的高效调控系统形成调控配合)，而其庞大的多发电机系统必须设置在地面（海面）；这样还能方便安装与维护，又可避免高寒高热的破坏性影响。

, y* W0 a2 v- E+ s% p! |　　5.拓展难成因的技术解析
　　风电机组的更大型化发展是实现高效、低价、简捷、方便设计、生产、安装、应用与稳定化运行唯一有效的途径与手段，向着更大能力、更高效能、更强适用性的拓展预期也是支持与推动风电产业更大规模发展的原动力，但从现有大型风电机组的整体形态与结构的上述分析中可以看出，实现上述许多功能与能力需求的努力难有更大的拓展空间，因为在克服其中之一缺陷的过程中另一相关方面的问题会形成相互制约，难于两全其美，如：更进一步放大其叶片设计规格空间的努力将导致重量、成本与故障率的更高发生，而某些功能性缺陷的完善努力（如：在高空设置大型多发电机系统）将永远无法实现。
( _1 ]$ l, \3 h# f4 W" r3 b' p, W" |　　6.结语
　　明显可见，在小型水平轴三叶桨风力发电机形态基础上，通过逐步放大设计规格过渡形成的现有大型风电的形态与性能，会产生出如上列举的诸多在小型风电机组上并不具有的性能缺陷、结构问题与应用困难。
0 j4 F" {+ _$ X3 D2 _　　能够客观、及时、全面、清楚地了解现有大型风电设备的技术发展现状可以对投资决策提供预期有益的提示、参考。其同时也是构成探索更加适合大型风电机型特点的优秀创新方案最为原始的思维动力与基础。
　　值得高兴的是，经过长期的努力与完善，当前多种全新结构形态的大型风电机组的技术设计方案已经出现，其将全面优质解决上述多方面的难题，并可实现设计规模越大，单位千瓦成本越低，综合效益越高的趋势发展态势，其可形成多样化的宏大设计与规模建设，并可在不同应用条件下形成最佳机型的应用选择，其有望使风电的上网电价低于或是大幅度的低于煤电（在不同风力状况与机组建设规模的情况下）。
$ {; w6 ]( L- Z& ]     此外，调控方式的单一是形成效力低表象的另一重要原因，因为在自然界风力加大的时刻立刻采用转桨泻风的调控方式又将导致强风时刻增多收益能力的丢失，这尤其是在3-5兆-10瓦及其以上设计功率下将表现的愈加明显。
　　3.故障多成因的技术解析
　　现有大型风电机组的整体设计形态导致其调控需求复杂，种类繁多，甚至延伸到对每一个叶片乘风姿态的随时调控上，调控机构、结构与部件需求多，从而导致故障发生机会的增加；而其整体设计形态又导致其对于多数零部件的材料与制造的品质与规格要求已经大大超出普通机械设备部件的要求能力范畴，非高价与进口产品能够胜任，而这又是导致成本高的原因。大型风轮旋转速度减慢导致的齿轮箱传动比设计需求的大幅度提高也是形成故障高的起因（结构复杂又是导致成本高的起因之一）。
4 f0 T( m; \" v, R4 ?9 |3 j; {* s　　此外，与技术发源地比较，中国的高寒、高强风力、高强阳光的应用环境也直接对于超长悬空力臂风轮叶片（高分子材料）与连接机械结构及其耐久性应用构成更大程度的威胁（即使是在技术发源地，也时常听到叶片发生断或者裂的事故），而电力设备的高空设置（高空冬夏冷热剧烈变化影响与不方便日常维护）与偏航系统携带电线电缆旋转的对风方式也是造成故障多的诱因。
1 R/ k1 d# ]% q* [9 z　　4.功能少成因的技术解析
4 p! m2 P. E* i7 F2 A2 q　　大型风电机组应该拥有更多的功能效益表现，以适应风电建设中十分复杂的应用需求与状况变化，特别是风电机组在实现大型化之后应该同时具备更大幅度、更高效能与更多方式的调控手段与调控形成能力与其形成效果的配合，如只采用转桨改变出力的调控方式难于满足优势化的应用需求与风力强度的巨大范围变化，从而将减少投资收益的程度。
　　何况，通过变化风力攻击大型叶片角度的转桨调控方式所形成的调控准确性与成效性值得商榷，其或是成为导致当前大型风电不稳定的成因之一？（注：通过叶片转桨调控是轴流式水轮机出力调控的方式，但与通过导水机构控制的水电站水流水压与密度进行比较，自然界的风力要不稳定的多，稀疏的多，此外通过采用叶片攻击角度变化调控也难于完全适应自然界风力强度的不断变化，可能发生驱动力的漂移与驱动力的变化，导致风电稳定性的下降）。
　　更为大型的风电机组必须采用“多发电机系统”以适应大型风机对于风力强度大范围变化的调控和巨型风电机组对出力能力大范围变化的大幅度调控(注：当风机设计功率超过3-5-10兆瓦及以上功率能力后，对于大型风力机出力能力大幅度范围变化的适用性要求就会愈加强烈，以使其能够充分利用各种风力强度形成风力发电与实现其运行速度的宽幅调控。这与过去中小型定桨式风电机组“被动”采用双发电机进行调控的出发点不同，创新技术是“主动”采用多发电机并且形成与另外的高效调控系统形成调控配合)，而其庞大的多发电机系统必须设置在地面（海面）；这样还能方便安装与维护，又可避免高寒高热的破坏性影响。

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5.拓展难成因的技术解析　　风电机组的更大型化发展是实现高效、低价、简捷、方便设计、生产、安装、应用与稳定化运行唯一有效的途径与手段，向着更大能力、更高效能、更强适用性的拓展预期也是支持与推动风电产业更大规模发展的原动力，但从现有大型风电机组的整体形态与结构的上述分析中可以看出，实现上述许多功能与能力需求的努力难有更大的拓展空间，因为在克服其中之一缺陷的过程中另一相关方面的问题会形成相互制约，难于两全其美，如：更进一步放大其叶片设计规格空间的努力将导致重量、成本与故障率的更高发生，而某些功能性缺陷的完善努力（如：在高空设置大型多发电机系统）将永远无法实现。
, v/ M& O7 z2 q: P　　6.结语
　　明显可见，在小型水平轴三叶桨风力发电机形态基础上，通过逐步放大设计规格过渡形成的现有大型风电的形态与性能，会产生出如上列举的诸多在小型风电机组上并不具有的性能缺陷、结构问题与应用困难。
　　能够客观、及时、全面、清楚地了解现有大型风电设备的技术发展现状可以对投资决策提供预期有益的提示、参考。其同时也是构成探索更加适合大型风电机型特点的优秀创新方案最为原始的思维动力与基础。
0 p9 p9 Z+ N" M2 o. {* A　　值得高兴的是，经过长期的努力与完善，当前多种全新结构形态的大型风电机组的技术设计方案已经出现，其将全面优质解决上述多方面的难题，并可实现设计规模越大，单位千瓦成本越低，综合效益越高的趋势发展态势，其可形成多样化的宏大设计与规模建设，并可在不同应用条件下形成最佳机型的应用选择，其有望使风电的上网电价低于或是大幅度的低于煤电（在不同风力状况与机组建设规模的情况下）。

yuanyumi

适合的才是最好的

neil.wangchao

有新思维是好的，但是在目前中国这种国情下，能够踏实下来，没人搞；能搞的，又大多不懂技术！难啊！