国外5 MW以上风机发展探秘.doc

1、国外 5 MW 以上风机发展探秘郑家鑫联系方式：版权所有，未 经允许，不得 转载或印刷。近年来，全球风能行业发展迅速，已经从过去 1.5 MW 和 3 MW 机型主导的时代开始向 5 MW 以上的大型和超大型风机慢慢过 渡。本文将就国外 5 MW 以上风机的发展和研发情况进行探讨，希望有助于推动国内大型和超大型风机的发展。目前，国外发展的 5 MW 以上的机型主要有：5 MW、6 MW、7 MW、10 MW、15 MW 和 20 MW。一、5 MW 风机目前，国外生产 5 MW 风机的企业有 RePower、歌美萨、阿海珐风电。RePower 5 MW 风机的风轮直径为 126 米，轮毂高度为

2、 100120 米（陆上）和 90 100 米（海上），扫掠面积为 12,000 平方米，在 30mph 左右时可获得最大的功率输出，启动速度在 7mph 左右，在 70mph 时自动制动。其动力控制通过叶片变桨实现。包括 120 米高的塔架在内，每台 风机重量超 过 900 吨。每个叶片长61.5 米，重量少于 18 吨，采用的是 LM 的叶片，每个叶片配备有自身的电子变桨系统。首台风机于 2005 年在德国成功并网。2006 年 8 月，在苏格兰东海岸附近的Beatrice 油田安装，水深 44 米。 类似的风机原型自从 2004 年以来已经在德国的Brunsbttel 运行，其水泥桩基达

3、到 1,300 立方米，包括 4024 米长的水泥柱和 180吨钢材。2006 年 12 月在德国的 Cuxhaven 又安装了两台 5 MW 风机。2008 年在比利时 Thornton Bank 一期中使用了该款风机。2011 年在英国的 Ormonde 陆上风电场也安装了此型号的风机。歌美萨和 Northrop Grumman 联合开发了 G11X-5.0 MW，风轮直径 128 米，首批风机将于 2012 年底在美国市场部署，第一阶段将安装两台风机，一台陆上，一台海上，用以进行对比研究。阿海珐风电的 Multibrid M5000 是在德国的不来梅港研制和生产的，自从公司在 2000

4、年成立以来，就一直致力于开发和制造 M5000 海上风机。其额定功率为 5540 千瓦，风轮直径 116 米，采用同步永磁电机，机舱和转子总重 349 吨。在Alpha Ventus 海域 30 米水深的地方安装了 6 台，从 2009 年 7 月开始运行。二、6 MW 风机国外从事 6 MW 风机生产的企业主要有 5 家。RePower 6 MW 风机， 额定功率为 6.15 MW，风轮直径 126 米，轮毂高度100117 米（ 陆上）和 85 95 米（海上），电机采用了先进的冷却系统，使其保持6 MW 的连续 容量，精心 设计的电气系统能保证长 寿命，以最低运营成本获得最高产出。在运行

5、的有德国的 Ellhft（2009 年投入运行）、比利时的 Thornton Bank二期和三期（2012 年投入运行）和德国的东北海域（2012 年投入运行）。西门子的首台 6 MW 风机原型 SWT-6.0-120 安装在丹麦，风轮直径 120 米，采用了西门子创新直驱技术和 IntegralBlade叶片设计，机舱和转子总重还不到350 吨，为大型海上风机设定了新的低重量标准。一般而言，大型风机每 MW 的重量总似乎大于较小型风机，但 SWT-6.0-120 打破了这一规则，其每 MW 重量类似于众多 23 MW 风机的 MW 重量。 该风机采用了西 门子的先进诊断技术，能够降低客户风险

6、，确保可靠性。目前正在进行广泛的试运行和测试。批量生 产前，在 2012 年和 2013 年还将安装一些 6 MW 风机进行测试和性能优化。批量生产计划于 2014 年开始。阿尔斯通 6 MW 风机，适合于各种海上条件，采用直驱技术，结合了成熟技术和创新，采用了独有的 ALSTOM PURE TORQUE 技术，该风机原型测试阶段已经开始，会持续到 2011 年和 2012 年，在 2013 年会进行批量生产前的测试，2014年开始批量生产。阿尔斯通已 经与法国的 EDF 新能源公司达成协议，为其在法国的海上风电项目独家提供 6 MW 风机。阿尔斯通正在与 LW 合作为其新一代 6 MW 风机

7、开发 73.5 米的叶片。维斯塔斯的 6MW 海上风机于 2011 年发布， 试点项目是在德国的 Gode 风电三期， 维斯塔斯将为该项 目供应 15 台新型海上风机。Nordex 也于 2011 年发布了其 6 MW 海上风机。三、7 MW 风机国外目前主要有 Enercon 和维斯塔斯两家企业在从事 7 MW 级别风机的开发和生产。Enercon E-126/7.5 MW 的风轮直径是 126 米，额定功率 为 7.5 MW，最大功率输出可达 7.58 MW，轮毂高度 135 米，总高度 198 米，总重大约 6000 吨，每年可发电 2000 万度。没有采用永磁发电机，可降低其环境印记。

8、首台风机于 2007年安装在德国的 Emden。截止 2011 年 9 月，已安装了 35 台该型号的风机， 19 台在德国，11 台在比利时（图 1），2 台在奥地利，2 台在瑞典，1 台在荷兰。法国还有一个风电场计划采用 52 台 Enercon 的 7.58 MW 风机，有望在 2011 年底或 2012 年初确定。图 1：世界上首个由 Enercon7.5 MW 风机组成的风电场维斯塔斯 V164-7.0 MW 风机于 2011 年 3 月底公布，主要是针对欧洲北海的恶劣条件，其风轮直径是 164 米，叶片 80 米，扫掠面 积 21,124 平方米，高度187 米，重 800 吨。V

9、164 的开发采取了两条平行路 线：直驱和齿轮传动解决方案。结果是采取了一种中间解决方案，采用了中速传动系统解决方案。首台 V164 将于 2012 年第四季度进行建设。有望于 2015 年开始批量生产。四、8 MW 风机据报道，Enercon 有测试 8 MW 陆上风机，但目前没有更详细的消息。自 2007 年以来，Zenergy 电力公司及其合作伙伴一直在参与英国贸易和工业部的一个项目，开发 8 MW 直驱风机，采用高温超导电机（图 2）。图 2：8 MW 直驱高温超导电机简图（资料来源：Converteam / Zenergy Power）五、10 MW 风机目前在国外从事 10 兆瓦风

10、机研究的企业主要有六家，包括水平轴和垂直轴。挪威公司 Sway 计划建造的 10 MW 风机采用漂浮式 设计，可以安装在更深的水域，其重心低，能够防止翻倒。 该设计能够让风 机倾斜 58 度，并能自由旋转，可利用任何风向的风力 发电。 设备原型估计会耗 费 6750 万美元。该公司计划首先在挪威西南部的陆地上进行测试，如果设计成功，将会继续测试海上风机原型。Clipper 公司的 Britannia 10 MW 风机将于 2012 年后半年示范并出售 给风电场。美国超导公司也在开发 10 MW 海上风机，称为 SeaTitan，也采用了直 驱技术，每台风机都包含利用美国超导公司适用于高温超导转

11、子的 Amperium 导线，这能够减少电机尺寸和重量，增加效率，降低成本。该项目从 2007 年开始，有包括美国能源部在内的众多合作伙伴的参与。该设计最大可支撑 20 MW 风机。此外，先进磁体实验室也在尝试把其自主知识产权的双螺旋技术用于开发适用于风机的直驱高温超导电机（图 3），一旦该技术获得证实，则可升级到2030 MW 的功率 输出，该设计可比如今技术最好的 风机轻 75%，体 积小 50%。其规划是 20122014 年完成 10 MW 风机的详细设计，20142015 年完成10 MW 系统的建造和示范。图 3：采用 10 MW 直驱高温超导电机的海上风机 （资料来源：AML E

12、nergy）英国的风电有限公司和 Arup 集团也在开发一种最激进的 10 MW 风机设计，称为 Aerogenerator X（图 4），采用垂直轴设计，重量是同样容量水平轴风机的一半，重量主要集中在基座上，由类似采油平台的漂浮机构支撑，改 进了应力，减少了应力和材料疲劳。计划于 2014 年开发出工业规模的原型，希望到 2020 年时能在英国海域安装 100 台 Aerogenerator X 风机。 风电有限公司表示，该设计最终可能会支持 20 MW 风机的开发。图 4：Aerogenerator X 风机英国公司 Vertax 也在开发 一款 10 MW 垂直轴海上风机，其在风速 9.

13、5 m/s时的额定功率为 10 MW，总高度 230 米，转子高度 130 米，风轮直径 260 米。乌克兰公司 Astralux 也宣称其垂直轴设计在风速 9.5m/s 时的额定功率为 10 MW。六、15 MW 风机西班牙政府已经启动了一项 15 MW 海上风机研究计划，只使用西班牙的部件、人才和研究能力，该项目将涉及超过 22 家研究机构和 11 家企业，由歌美萨牵头，包括歌美萨、Iberdrola 和 Acciona 在内的西班牙风电企业都将参与此项工作。项目期为 4 年， 总投资 2500 万欧元。歌美 萨将会 牵头与海上风能捕捉相关的研究工作；Acciona 风电负责电 力转换技术

14、；阿尔斯通风电负责海中结构；Acciona能源公司负责海上建造、运营和维护；Iberdrola 负责 海上风电并网。 GE 全球研究部从美国能源部拿到一个研究项目，开发下一代风力发电机，可以支持 1015 MW 的应 用。该发电机项目包括两个 阶段。第一阶段将集中于概念开发和经济、环境、商业因素评估。第二 阶段将探 讨该技术的商业化。除了发电机方面的工作，GE 的攻关领域还包括：使用更 轻、更先 进的复合材料，用于更长的叶片；采用更先进的控制系统、传感器和状态监测算法，以减少运行成本；开发一系列并网技术，以便 让更多的风电并入电网。七、20 MW 风机欧盟在 5 年前启动了一项 20 MW 风

15、机设计基础研究 计划，并于今年初公布了研究成果，研究显示，设计生产 20 MW 的风机在技术上是可行的，但如果采用现有技术，会比如今的风机 贵 15-20%。采用气动弹性方法进行叶片设计是其中的解决方案之一，还会采用激光技术进行测风。除此之外，欧洲还有一项 20 MW 的垂直轴海上风机研究 项目（图 5），该项目结合了一种垂直轴风机、新型叶片技术、完整的 电力 传输和控制系统、旋 转漂浮式海底结构。该垂直轴风机的基础是 Darrieus 设计，包括一台直驱电机，其电控系统位于海底的轴中，首先会示范千瓦级的风机，从中获取的数据将用于设计 5兆瓦风机，并最终升级到 20 MW。图 5：20 MW 垂直轴海上风机概念图八、小结总体而言，国外的 5 MW 以上的大型和超大型风机的研发和生产主要集中在欧美国家，风机大型化将是未来风能行业尤其是海上风能行业发展的方向。在往大型化方向发展的时候，扎 实的研发和测试工作非常重要，这一点欧美比国内做的要好，欧美的大型科技项目攻关总是有着非常清晰的路线图，往往是集合了业界众多企业和研究机构的力量，而不是靠某一个企业单打独斗。国内则更倾向于冒进，缺乏协作，以至于事故频仍。国内在学 习西方 发展大型和超大型风机的时候，需要考虑自己的技术 基础，是否足 够稳固，是否进行了必要的验证和测试工作。不能一味的追求大，大而不强，又有何用？