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中小型风力发电及风光互补新能源产业发展历程

更新时间:2011-03-14

1.过去

    在1980年,国家领导人视察我国的西北部地区后,向科技部提出了要解决偏远地区农牧民用电问题的批示。科技部组织专家对这些地区进行考察后,提出了发展小型风力发电机解决偏远地区农牧民供电问题的方案,并列入了国家“六五”科技攻关计划。

    当时,南京航空学院、哈尔滨工业大学、沈阳工学院、清华大学、长沙铁道学院等一批院校和航空部602所、机械部呼和浩特牧机所、中科院电工所、北京农机化研究院、浙江机电研究院、中国气象科学院等一批院所以及中国船舶工业总公司884厂、441厂、内蒙古动力机厂、包头电机厂、商都牧机厂、北京联合收割机厂、北京电机总厂、浙江电力修造厂等企业都参与了小型风力发电机的设计、研制。

    八十年代中后期,我国的小型风力发电机形成了规模化生产的能力,在内蒙古等偏远地区推广中小型风力发电机近二十万台,到1990年在丹东召开全国风力机械行业协会成立大会时,会员单位有五十多家。但由于没有适时建立产品质量检测体系和市场监督机制,致使大批低质量低价的中小型风力发电机涌入市场,导致产品的成本与市场价格错位,提供优质产品的企业失去了市场,也丧失了产品更新换代和进一步研发的能力。加上产品的售后服务体系没建立,中小型风力发电机产品大面积出现质量问题,用户对中小风机产品失去了信心,市场急剧萎缩,从而使整个小型风力发电机制造行业全面萎缩。

    按全国风力机械行业协会2000年对全国小型风力发电机产品销售量的统计,全国共销售小型风力发电机产品12670台套,其中300w以下的产品12000台套,并以低质量低价的产品为主,工业产值不足2000万元,不及一个中小企业的年产值。

    造成这种局面的主要原因有如下几点。

    1.1 对小型风力发电机的技术难度认识不足

    1992年美国宇航局曾发表过一篇文章,说明美国宇航局和波音公司由于对中小型风力发电机的技术难度估计不足,而导致为军方研制的便携式小型风力发电机失败,文章中主要提到中小型风力发电机研制上的困难在于:

    中小型风力发电机所面对的自然环境极为恶劣,由于风受地面粗糙度和障碍物的影响很大,离地面高度越高,风速越稳定。而中小型风机受安装高度限制,而且不能远离用电者居住的地方,所以中小型风机是工作在风的紊流区域,风速风向的无规则频繁变化对风机的破坏性很大。

    中小型风力发电机所能提供的能源有限,考虑到单位功率成本的因素,好的材料和先进的控制技术无法采用,可选择的材料和技术手段有限。长期以来,我国的小风机研制缺乏对小风机使用环境的研究,比较注重风机的性能测试数据,缺乏对风机在不同环境下进行运行考核的要求。

    1.2 产品的技术要求不合理,配套系统产业各自分离

    虽然我国的小型风力发电机技术标准做了调整和修改,但在对小风机的产品要求上还是按八十年代所订的风机标准来要求,一个最显著的特点就是要求风机的额定风速在6~8m/s,这是极不合理的。因为小型风力发电机受技术手段的限制,只能采用定浆距叶片,当风速大于额定风速时,风机的限速机构必须开始动作,否则就可能会烧毁发电机。风机限速后,输出功率急速下降,从而大大缩小了风机的有效工作风速范围。

    以年平均风速4~5m/s的地区为例(这也是我国西北部偏远地区较普遍的风资源条件),下图为该地区全年风速的时表分布图和风能密度分布图。


图1  年平均风速3.9m/s的地区不同风速下风速的时间正态分布图


图2  年平均风速3.9m/s的地区不同风速下风的能量正态分布图

    相对于国际上通行的做法(将风机的额定风速定在10~13m/s的范围以体现对风能利用最大化的原则),我国的小风机额定风速定得低,主要是希望风机的有效工作时间长,较长时间满足用户的用电需求。这种考虑是有局限性的。风能和太阳能一样,是随机性很强的能源,而且能量密度低,希望风力发电机在任何条件下都能满足用户的用电要求是不现实的,要尽可能满足用户的用电要求,最好的办法是采用风光互补发电系统,而不是降低风机的额定风速。

    中小型风机的额定风速定得低,主要有以下几方面问题:1)降低了风机的利用率:风力发电机的效率本来就不高,如果我们再把风能的有效利用区域限得很窄,不利于对风能的充分利用。2)增加了风机的成本和技术难度:风能是随风速的三次方成正比的,额定风速定得低,同等功率下风机的成本要高很多(我国小风机的重量是国外同功率产品的3~5倍)。风机处于限速状态的机率大,时间长,相应的产生故障的机会大,产品生产的技术难度大。3)与国际上同类产品的技术要求不接轨,丧失了国际市场上进行产品竞争的能力:太阳能热水器、太阳能光伏都是按较高的光照强度来考核的,为什么中小型风机一定要按低风速来考核?这显然是不合理的,这对中小型风机产业的发展不利。

    此外,无论风力发电系统还是风光互补系统,都由控制系统和储能系统组成等配套产业组成,发电系统、控制系统、储能系统各自分家,是整合后系统稳定性差的根本原因,也是目前改行业的技术壁垒。使最终用户衡量考察中小型风力发电及风光互补新能源发电技术产生误差。独立各个系统都是合格的,在各种恶劣的自然环境下一整合系统就是劣质的,不是控制系统不当就是储能系统和发电系统配比不适合等,体现在用户面前的不仅仅是单一发电系统的发电效率、低风速启动、低风速储能、抗大风保护等,还涉及到控制系统的智能控制、低电压升压、充放电控制等,储能系统的选择、配比、等等一系列衍生的产业问题。

1.3 价值和价格的严重背离限制了行业的发展

    长期以来,我国小风机的定位是面向偏远贫困地区的农牧民,要他们买得起,所以价格要低。这种指导思想严重制约了行业的发展。

    实际上风机的价格只有太阳能电池的1/4~1/5(按单位输出功率测算),但现在国家实施“送电到乡”工程,大量采用光伏电站,而不是风力发电机,原因是太阳能电池可靠,而风机可靠性太差。中小风机行业实际上是以牺牲可靠性去迎合市场的低价格,结果使行业走入了死胡同。

    太阳能热水器、太阳能光伏都是先走高价位,随着产业的规模扩大、生产成本降低、技术进步,才大幅度降价的。中小风机一开始就定在低价位,产品没有利润,企业没有发展后劲。而国家的资金支持一直在向大风电和科研倾斜而没有鼓励中小风机及风光互补产业的发展,中小风机及风光互补产业甚至处于一个被遗忘的角落,致使中国的中小风机产业滑落到现在的状况。这两年随着“绿色照明”、“节能、减排”政策出台才给行业带来了新的生机。

    中小型风力发电机的可靠性问题是制约产业发展的核心问题。当风神风电科技有限公司在2003年决定进入小型风力发电机制造业时就调查研究过各方面的问题,我们对国际上各种小型风力发电机进行了认真的解剖和分析,确定了产品设计和制造的基本思路:确定了放弃单机械限速机构,通过机械制动和电磁限速相结合的方式对风力机进行限速保护的思路;参照国际上通行的做法,把风力机的额定风速定在12m/s的风速状态;采用风力机的全部零部件模具化制造的生产工艺,确保部件的高效率和产品的一致性。

    根据这个基本思路,我们花了近三年的时间,经过四代产品的更新换代,到2006年才把FS系列风力机进行了产品定型并投放市场,使产品实现了产业化。如果使小型风力机形成产业,我们认识到以前把市场定位在偏远农牧民的思路是不正确的。偏远地区的农牧民最需要电,但他们没有购买力,这种购买力不仅仅在经济能力上,还表现在心理上。他们希望能和城里人一样用电交电费,他们有这个能力,只是国家不能给他们送电,他们是最贫困的人却要买最贵的电,这不合理。有需求而没有购买力则不能形成市场,小型电力机的制造企业很难去开拓市场。

    因此,结合市场,我们转变了理念,把应用在自然资源条件好经济条件但不发达的却是最需要电的偏远地区引入到了自然资源相对较差但经济条件相对较好相对用电不是最急需的城市。

    中小型风力发电机产业的出路在哪里?我们认为,关键在应用领域的开发。中小型风力发电机和太阳能电池一样,作为独立供电系统都受自然资源条件的限制,影响了供电系统的可靠性。但风力机和太阳能结合组成风光互补供电系统,则能大大提高供电系统的可靠性。风能和太阳能在时间上、季节上都有很强的互补性,风力机和太阳能电池组成混合的独立供电系统最有效地利用自然资源,提高供电系统的可靠性。在太阳能电池的独立供电系统中,蓄电池的寿命问题一直制约着太阳能的应用。系统并入风力机后可改善蓄电池的充电特性,提高蓄电池的寿命。风力机的单位成本仅为太阳能电池板的1/4左右,风力机同太阳能电池组成混合供电系统后,系统成本可大幅降低,使供电系统更具有市场推广价值。

    这几年,我们分别开发了风光互补路灯系统、风光互补高速公路监控系统、风光互补通讯机站电源系统等,为中小型风力发电机的推广开创了全新的局面。

3.未来

    中小型风力发电机未来的发展趋势如何?笔者认为应该包括以下几个方面:

    1)中小型风力机与太阳能电池结合作为最合理的独立电源可开发更多的应用领域,包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补增氧系统、风光互补供暖系统、风光互补海水淡化系统、风光互补景观照明系统等等。随着中小型风力发电机产品的多样化,风光互补独立供电系统在市政项目、边防哨所、偏远地区都有着极广的应用前景。

    2)中小型风力发电机并网发电系统。大家都知道,德国和日本的太阳能屋顶计划大大促进了太阳能电池产业的发展。但在英国等阳光资源不好的国家,正在推广风力发电机屋顶发电计划。在家庭安装中小型风力发电机并网发电,可节省输配电系统,改善电网结构,是分布式电源的理想方式。在国外还作为夜间照明和独立供电来减少犯罪率的公共设施。

4.倡议

    我国的中小型风力发电产业是有技术基础的,而且产品都是自主知识产权和100%的国产化,并在国际上处于领先地位。

    为保证产业的健康发展,笔者有以下倡议:

    1)建立完善的产品质量监督体系。小型风力发电机产业就是被产品质量拖累的,只有健全产品质量监督体系才能杜绝劣质产品充斥市场,才能给产业一个公平竞争、健康发展的环境。

    2)政府项目为小型风力发电机产品提供一个推广的机会。“送电到乡”工程采用了太阳能发电系统,我国的小型风力机失去了一个推广和发展的机会,希望“送电到村”工程能充分考虑采用风光互补发电系统,为我国的中小型风力发电产业及风光互补新能源提供一个推广和发展的机会。

    3)关注小型风力发电机产业的技术进步。在我国的新能源行业中,中小型风力发电及风光互补新能源产业是为数不多的与国外技术水平差距不大的产业,如果能把这个产业做大,就能成为极具国际市场竞争力的产品,为我国出口创汇做出贡献。