中国中小型风力发电机的应用发展

    我国小型风力发电机产业走过了二十多年的历程,回顾这段发展过程,令人感慨万千。现在,可再生能源行业进入了最好的发展时机,太阳能热水器、太阳能光伏、大型风力发电机等产业都进入蓬勃发展的时期。但曾在我国的新能源行业发展过程中有过良好表现的小型风力发电机走过了一条怎样的发展道路?目前产业的发展状况如何?未来这个产业的路应该怎么走?
    中国小型风力机应用发展
    我国小型风力发电机产业走过了二十多年的历程,回顾这段发展过程,令人感慨万千。现在,可再生能源行业进入了最好的发展时机,太阳能热水器、太阳能光伏、大型风力发电机等产业都进入蓬勃发展的时期。但曾在我国的新能源行业发展过程中有过良好表现的小型风力发电机走过了一条怎样的发展道路?目前产业的发展状况如何?未来这个产业的路应该怎么走?

    在二十世纪80年代初,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、沈阳工业大学、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、研制工作。
    八十年代中后期,我国的小型风力发电机已形成了规模化生产的能力,在内蒙古等偏远地区推广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,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,小型风力发电机产品大面积出现质量问题,用户对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,并且是低质低价的产品为主,工业产值不足2000万元,不及一个中小企业的年产值。

    存在问题与原因分析
    目前我国小型风力发电之所以出现这种局面,我们认为主要原因如下:
    一、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,文章中主要提到小型风力发电机研制上的困难在于:
    1、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。而小风机受安装高度限制,而且不能远离用电者居住的地方,所以小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。
    2、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。
    二、产品的技术要求不合理
    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,否则就可能会烧坏发电机。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),下图为西北偏远地区全年风速的时表分布图:
 
    全年风速的时表分布图

    国际上通行的做法是将风机的额定风速定在10~13m/s的范围,这体现了对风的能量利用最大化的原则。但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转速。小风机的额定转速定得低,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、太阳能光伏发电都是按较高标准的辐强度来考核的,为什么小风机一定要按低风速来考核?这显然是不合理的,这对小风机产业的发展不利。
    三、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,大量采用的光伏电站,而不是风力发电机,原因是太阳能电池可靠、风机可靠性太差。小风机行业实际上是以牺牲可靠性去迎合市场的低价格,结果使行业走入死胡同。
    太阳能热水器、太阳能光伏都是先走高价位,然后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。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科研倾斜而没有鼓励产业的发展,致使中国的小风机产业滑落到现在的状况。
    四、缺乏市场监管机制
    我国的小型风力发电机产品有较完整的国家标准,包括产品性能标准和安全标准,但市场上销售的产品绝大部分没有经过国家检测机构的检测和认证,劣质产品充斥市场,风机伤人事件时有发生。大量的用户买了产品不出三个月就没有了使用价值,都无处投诉,整个行业就没有形成有效的市场机制。所以,生产企业也不考虑产品的售后服务和质量跟踪,致使小风机产品失去了用户的信任,失去了市场。
    解决问题的思路与方法
    目前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。结合国际上各种小型风力发电机制造技术,确定产品设计和制造的基本思路应该是:
    1)确定了放弃机械限速机构,通过叶片失速和电磁限速相结合的方式对风力机进行限速保护的思路。
    2)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。
    3)风机的零部件采用模具化制造的生产工艺,确保部件的良好互换性和产品的一致性。
    小型风力机如果要形成产业,把市场定位在偏远农牧民的思路是不正确的。这几年,我们在西藏、青海、甘肃和湖北的洪湖做了一些户用系统项目,在与他们的接触中我们认识到,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。他们认为他们希望能和城里人一样用电交电费,他们有这个能力,只是国家不能给们送电,他们是最贫困的人却要买最贵的电,这不合理。这种有需求没有购买力的用户不能形成市场,小型风力机的制造企业很难去开拓市场。那么,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。根据其应用特点,小型风力发电主要有以下两种应用方式:1、风光互补独立发电系统;2、风力并网发电系统。由于并网系统比较成熟,与大型风力发电并网原理一样,这里我们主要介绍风光互补独立供电系统:
    风力机和太阳能光伏发电结合组成混合供电系统,能大大提高供电系统的可靠性。
    1)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独立供电系统更有效地利用自然资源(太阳能、风能),可达到提高系统供电可靠性的目的。
    2)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。
    3)风力机的千瓦单位成本只是光伏发电的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。下图是几个工程的具体案例:
 
    产品应用案例(风光互补路灯-上海崇明岛)
 
    (风光互补路灯-沈阳南环路)

    小型风机的未来发展方向
    小型风力发电机未来的发展趋势如何?我们认为应该包括以下几个方面:
    1)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、风光互补供暖系统等等。随着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、在边防哨所、在偏远地区都有着极广的应用前景。
    2)小型风力机并网发电系统
    众所周知,德国和日本的光伏屋顶计划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。在家庭安装小型风力发电机并网发电,可改善电网供电结构,是分布式可再生能源发电的理想方式。
    目前,国内的小风机产品也开始接受英国等国外的应用测试,开始走向国外。英国、美国等国家已立法鼓励家庭安装小型风力发电机并网发电系统,为小型风力发电机并网应用提供很大的发展空间。
    但小型风力发电机在家庭的推广对产品提出了更高的要求,低风速发电、低噪音、高可靠性、美观性、安全性等都有了更高的要求。小型风力发电机的技术进步是促进产业发展的根本保证。
    对我国规模化发展小型风力产业的建议
    我国的小型风力发电机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,要保证产业的健康发展,必须:
    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,为我国的小型风力机产业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,小型风力发电机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,为我国出口创汇作出贡献。希望我国相关部门能把我国高可靠性、质量优良的小型风力发电机产品纳入对外援助的产品目录中。

 

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