国内外风电技术发展及重点企业

二、国内外风电技术发展方向和重点企业

化石等一次性能源的特点如环境成本增加、不能再生等决定了成本将不断上涨;而随着技术成熟和规模效应的发挥,风电、核电等新能源发电的成本将进一步降低。而在众多新能源中,风电是最具商业开发前景的新能源之一。近些年,随着风电技术的日益成熟,风电装机容量不断增大,并网性能不断改善,发电效率不断提高,风电设备在全球能源设备中脱颖而出。风电机组约占风电投资的70%,随着风电技术的成熟和规模效应的显现风电机组价格不断下降,由此带来风电成本的持续降低。上世纪80年代到90年代初风电成本下降较快;90年代中期以来,成本下降趋缓,即使这样,风电成本也达到每5年下降20%,照此速度,到2020年,即使没有补贴,风电的成本将接近常规的能源。

图5-1　吉林省风能资源分布图

资料来源：　吉林省能源局

(一)我国风电场装机情况

到2009年底,中国(除台湾省未统计外)累计安装并网型风电机组21581台,装机容量约2580﹒53万kW。与2008年累计装机1215﹒3万kW相比,2009年累计装机增长率为114%。截止到2009年12月31日,中国风电累计装机超过100万千瓦的省份超过9个,其中超过200万千瓦的省份4个,分别为内蒙古(919﹒62万千瓦)、河北(278﹒81万千瓦)、辽宁(242﹒53万千瓦)、吉林(206﹒39万千瓦)。说明我国风电产业已进入快速发展的阶段。

我国风电场开发商主要有五种类型:第一类中央电力集团。它们是国电、大唐、华能、华电和中电投。60%以上的市场份额。第二类中央所属的能源企业。神华集团、中海油、中广核和中节能等都属于这类企业,占到了13%以上的市场份额。第三类省市自治区所属的电力或能源企业。例如:京能、河北建设、宁夏发电集团、鲁能、福建投资和粤电等都属于这类企业。第四类港资和民营企业。如:中国风电、香港建设新能源和天润投资等。第五类外资企业。分享剩余的27%市场份额。

(二)我国风电设备产业链概述

2010年我国风电新增装机超过1600万千瓦,累计超过4000万千瓦,“双居”世界第一。在巨大市场需求的推动下,我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一,部分风电机组制造企业进入全球前十强,国内制造商已经占据中国市场份额的85%以上,并开始出口海外。我国风电装备制造企业的技术创新能力也不断增强,初步实现了大功率风电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新,以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦级风电机组下线和运行,都充分证明我国的风电技术已达到国际先进水平。市场规模的迅速扩大和技术创新能力的快速提升也促进了我国风电产业的全面发展,一个集原材料、零部件、整机和服务业的完整产业体系已初具轮廓。

1﹒国内风电机组的技术来源

根据对国内正在制造和生产的风电机组的调查分析,其主要技术来源大致可分为以下五类。

第一类:引进国外的设计图纸和技术,或者是与国外设计技术公司联合设计,在国内进行制造和生产。象金风科技引进的1﹒2MW﹒1﹒5MW直驱风电机组,现在已在国内大批量生产和供货。还有浙江华仪、广东明阳、国电联合动力的1﹒5MW双馈风电机组,重庆海装、上海电气的2MW双馈风电机组等都是采取这种方式引进的,现在这些公司的产品有的已经批量生产,有的样机已经下线。

第二类:购买国外成熟的风电技术,在国内进行许可生产。象金风科技和浙江运达的754kW定桨距风电机组,华锐风电、东方汽轮机的1﹒5MW的双馈风电机组,都在国内成功大批量生产并实现产业化,这些机组是国内的主力机型。还有重庆海装的850kW,保定惠德、武汉国测、吴忠仪表的1MW,上海电气的1﹒25MW,北重的2MW等都是采取这种方式引进的,现在这些公司的产品已经批量生产。

第三类:与国外公司合资,引进国外的成熟技术在国内进行生产。象航天安迅能、恩德风电的1500kW双馈风电机组,在国内已成功生产并实现产业化。还有湘电风能、瑞能北方的2000kW等公司都是采取这种方式引进的,现在这些公司的产品有的已经批量生产,有的样机已投入试运行。

第四类:国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业,将其成熟的设计制造技术,在国内进行生产。象歌美飒风电的850kW、苏司兰的1250kW、通用电气的1500kW、维斯塔斯的2000kW机组都是采取这种方式进行生产的,目前已经投入大批量生产。

第五类:采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术,在国内进行生产的风电机组。例如:沈阳华创、江苏新誉、浙江运达、三一重工开发的1﹒5MW机组,上海万德的1﹒5MW机组都是采取这种方式进行生产的。

2﹒风力发电机组整机制造企业概况

到2009年10月底已有82家企业进入并网风力发电机组整机制造行业。其中国有、国有控股公司39家,民营制造企业24家,合资企业9家,外商独资企业10家。根据企业的产品产业化落实程度,大致可分为以下五种类型:

第一类:产业化落实程度很好,已具备大批量生产能力的风电机组制造企业有3家,它们是:华锐风电科技有限公司(08年安装了140万千瓦,09年安装了349万千瓦)、新疆金风科技股份有限公司(08年安装了113万千瓦,09年安装了227万千瓦),东方汽轮机有限公司(08年产能105万千瓦,09年安装了203万千瓦)。这三家企业已经具备了每年千台以上MW级风电机组的供货能力。

第二类:产业化落实程度好,已具备批量生产能力的风电机组制造企业有10家,它们是:国电联合动力技术有限公司(08年安装了0﹒45万千瓦,09年安装了76﹒8万千瓦),广东明阳风电技术有限公司(08年安装了17﹒4万千瓦,09年安装了74﹒85万千瓦)、湖南湘电风能有限公司(08年安装了12万千瓦,09年安装了45﹒4万千瓦)、上海电气风电设备有限公司(08年安装了17﹒8万千瓦,09年安装了27﹒425万千瓦)、浙江运达风力发电工程有限公司(08年安装了23万千瓦,09年安装了26﹒075万千瓦)、沈阳华创风能有限公司(09年安装了16﹒35万千瓦),北重汽轮电机(08年安装了6万千瓦,09年安装了13﹒8一万千瓦)、江阴远景能源科技有限公司(08年安装了1﹒35万千瓦,09年安装了13﹒65万千瓦)、株洲南车时代风电公司(09年安装了12﹒705万千瓦)、浙江华仪风电有限公司(09年安装了11﹒946万千瓦)。这十家企业已经具备了每年百台以上mw级风电机组的供货能力。

第三类:产业化落实程度一般较好,已具备小批量生产能力的风电机组制造企业有9家,它们是:重庆海装科技发展有限公司、江苏新誉风力发电设备有限公司、南通航天万源安讯能风电设备制造有限公司、瑞能北方风电设备有限公司、汉维、银星、保定惠德风电工程有限公司、山东长星风电设备有限公司、保定天威风电科技有限公司等。

第四类:正在进行样机试验或整机设计、试制工作,产业化工作有待进一步落实的风电机组制造企业,包括上海万德风力发电股份有限公司、江西麦德风电公司、潍坊瑞奇能风电公司、广东风盈风电公司等59家。

第五类:已有成熟的设计制造技术,已能在国内大批量制造风力机总机或部件的国外独资企业,包括:维斯塔斯风力发电设备(中国)有限公司(08年产能59﹒97万千瓦,09年安装了60﹒875万千瓦)、歌美飒风电(天津)有限公司(08年产能50﹒83万千瓦,09年上半年安装了27﹒625万千瓦)、通用电气能源(沈阳)有限公司(08年产能14﹒55万千瓦,09年安装了32﹒25万千瓦)、Nordex(天津)(08年产能14﹒4万千瓦,09年安装了11﹒10万千瓦)、苏司兰能源(天津)有限公司(08年产能12﹒85万千瓦,09年安装了29﹒30万千瓦)、瑞能(19﹒8万千瓦)等G家。

4﹒风电机组配套部件制造企业概况。

随着国内风电市场需求的扩大,风力机关键部件配套生产企业有了较快的发展,风电设备制造和配套部件专业化产业链正逐步形成。其中:叶片制造企业在国内已有80多家,其中已经批量生产的企业有:中航(保定)惠腾风电设备有限公司(09年市场份额22﹒5%)、连云港中复连众复合材料集团(09年市场份额15﹒8%)、中材科技(09年市场份额7﹒9%)、天津LM公司、中能风电设备有限公司、上海玻璃钢研究院、北京玻璃钢研究院等企业。此外,明阳电气、东方汽轮机、国电联合动力、Vestas﹒Gamesa等风电机组整机制造商自建叶片生产厂,满足本企业需求。目前,国产风电机组叶片已经能够满足国内风电产业发展的需要。

发电机制造企业有:永济电机厂有限公司、株洲南车电机股份有限公司、东方电机股份有限公司、兰州电机有限责任公司、上海电机厂有限公司、湘潭电机有限公司厂、大连天元电机公司等。此外,北重、新誉、航天万源、三一电气、VestasGamesa﹒Suzlon等风电机组整机制造商自建发电机生产厂,满足本企业需求。目前,国产风电机组发电机基本能够满足国内风电产业发展的需要。(www.chuimin.cn)

齿轮箱制造企业有:南京高精齿轮股份有限公司(09年市场份额占40﹒40%),大连重工通用减速机厂(09年市场份额占18﹒7%)、重庆齿轮箱有限责任公司(09年市场份额占17﹒5%)、W inergy(天津)、中国第二重型机械集团公司(德阳)、杭州前进风电齿轮箱有限公司等,本地化落实情况好,已能批量生产兆瓦级齿轮箱,目前基本能满足国内风电产业发展的需要。但由于某些大型齿轮箱轴承质量要求高,目前国内暂时无法提供合格的产品,这类齿轮箱产能受国外轴承供应的影响较大。另外齿轮箱制造工艺、质量和产能的提高,需要一些高精设备来保证,这些设备订购周期将对产能有一定影响。

风电机组轴承的制造企业有:洛阳轴承集团技术中心有限公司、瓦房店轴承集团有限责任公司、浙江天马轴承厂和徐州罗特艾德回转支承有限公司等。这些公司已在小批量生产1﹒5MW和2MW风电机组主轴轴承,产品正处于小批试应用阶段。目前,中国大部分风电机组制造公司还在采购国外SKF和FAG公司的产品。在偏航、变桨轴承供应商中,除了上述厂家以外,增加了大连冶金轴承、洛阳心能轴承、洛阳汇工、浙江人本、洛阳心强联轴承、上海联合滚动轴承和连云港雷德曼等厂家。目前,我国风电机组轴承短缺的情况已经得到缓解,但是,对于2MW以上的风电机组来说,轴承仍是制约机组产能的因素之一。

变流器和整机控制系统的制造企业有:深圳禾望电气、北京科诺伟业能源科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、景新电气、国电龙源电气(保定)、江苏大全、九洲电气等10多家企业。目前国产变流器处于小批量生产或试应用阶段,已能完全满足一部分国内风电整机配套的需要,但国内市场上需求的大部分变流器和整机控制系统仍需从外资公司购买,其中ABB﹒AMSC-W indtec(美国超导)、Conve‐rteam(科孚德)等是最主要的变流器供应商。我国塔筒、轮毅、机舱等部件的制造企业较多,完全能够满足国内风电产业发展的需要。

5﹒大型风电机组出口情况

从2007年以来,中国一些风电机组整机制造企业就开始开拓海外市场,2008年实现零的突破,到2009年底,已经先后有保定惠德、浙江华仪、金风科技、上海电气、华锐风电、江苏新誉6家企业向外国出口了风电机组整机设备。金风科技等中国风电机组制造商已经在国外建立分厂。尽管目前出口量不大,但是中国大型风电机组已经走进国际市场,这是一个重要的开端,今后中国大型风电设备出口量将逐年稳步增加。

(三)离网型风电发展概述

除了并网发电之外,风电的离网型应用也有一定市场,离网型风电主要用户是电网未覆盖地区的牧民、渔民和农民,用风电机组解决家庭用电问题。离网型风机容量一般在50瓦到1000瓦,目前,200瓦以上的机型占离网型风机年产量的80%。

目前,我国约有70家单位从事离网型风电产业相关业务,其中科研院校35家,生产企业23家,配套企业12家,年产量较大的企业有江苏神州风力发电有限公司、内蒙古龙信博风电设备制造有限公司、内蒙古天力机械有限公司、广州红鹰能源科技有限公司等。

(四)国内外风电技术发展趋势

纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展,目前国内外风电制造技术发展主要呈现如下特点:

1﹒产业集中是总的趁势

2009年,世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球78﹒7%的市场份额,世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球88﹒1%的市场份额,丹麦VESTAS、美国GE W IND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风这前5家企业,就占据了国内外49﹒8%市场份领。可以看出:世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面。国内市场:风力发电企业中,风电场投资商以国有大型电力集团为主,较为多元化,许多投资商的可持续发展能力不高。风电设备制造业,以东汽、华锐、哈电和上电为代表,看到风电市场中的机会和在企业转型的压力下,众多传统设备制造商强势介入风机整机制造业。这主要包括原大型风机部件制造企业、国内主要大型电站设备制造企业和航空航天设备制造企业。金风科技、东汽和华锐是未来最具竞争力的本土风电机组制造企业。

近几年,风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购-Multibrid;丹麦的Vestas公司兼并NEG﹒M icon公司;美国GE公司收购了德国安然风电公司;Siemes公司收购了丹麦AN/Bonus和德国winergy AG公司;印度Suzlon公司控股了Repower公司;金风科技收购了德国Vensys公司;湘电股份1000万欧元收购荷兰达尔文公司;中复连众收购了德国NOI公司;中航惠腾2009年收购了荷兰CTC叶片公司;美国GE公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能(沈阳)公司和哈电通用风能(江苏)公司。此外,各大公司在主要市场集中地都建立了生产基地,一个大公司相当于多个公司的集成。

2﹒风电机组关键技术飞速发展

(1)水平轴风电机组技术成为主流。水平轴风电机组技术,因其具有风能转换效率高、转轴较短,在大型风电机组上更显出经济性等优点,使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型,并占到95%以上的市场份额。(2)风电机组单机容量持续增大。近年来,世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大,随着单机容量不断增大和利用效率提高,世界上主流机型已经从2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我国主流机型已经从2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW,2009年我国陆地风电场安装的最大风电机组为2MW。(3)变桨变速功率调节技术得到广泛采用。2009年,在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组采用了变桨变速方式,而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中,也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用三个独立的电控调桨机构,通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。(4)双馈异步发电技术仍占主导地位。以丹麦Vestas公司的V80﹒V90为代表的双馈异步发电型变速风电机组,在国际风电市场中所占的份额最大。我国内资企业华锐风电、东方气轮机、国电联合动力、广东明阳等企业也在生产双馈异步发电型变速风电机组。2009年我国新增风电机组中,双馈异步发电型变速风电机组仍然占82%以上。目前,我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经投入运行。(5)直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。采用无齿轮箱系统的德国Enercon公司在2009年仍然是德国、葡萄牙风电产业的第一大供应商和印度风电产业的第二大供应商在。我国新疆金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1﹒5MW直驱式风电机组,已有上千台安装在风电场。金风科技在2009年是我国风电市场的第二大供应商。

3﹒大型风电机组关健部件的性能日益提高

随着风电机组的单机容量不断增大,各部件的性能指标都有了提高,国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机,使发电机效率进一步提高;高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗,使逆变效率达到98%以上;某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化,如德国ENERCON公司在改进桨叶后使叶片的Cp值达到了0﹒5以上。从2007年胡苏姆风能展的情况看,欧洲风电设备的产业链已经形成,为今后的快速发展奠定了基础。

我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步,如南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大重减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业生产的大型风电机组齿轮箱,供货能力充足,质量已有明显提高;保定惠腾、连云港中复连众和中材科技已能生产长达48﹒8m,与3兆瓦风电机组配套的大尺寸叶片,兰州电机厂生产的发电机等产品质量都有很大提高。从2009年上海第四届风能展的情况看,我国风电设备的产业链已经形成,为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势,不仅能满足国内市场需求,而且已经向国际市场供货。

北京科诺伟业能源科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、龙源电气、九州电气和禾旺电气等10多家企业已具备兆瓦级风电机组变流器研发、生产和供货能力。

4﹒智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命

鉴于风电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响风电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一,近年来,风电机组制造厂家与有关研究部门积极研究风电机组的最优运行和控制规律,通过采用智能化控制技术,与整机设计技术结合,努力减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷,并逐步成为风电控制技术的主要发展方向。

5﹒风电场建设和运营的技术水平日益提

随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量的越来越高的要求,国外已经针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址,特别是选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究,取得了重大进步,预测精确度可达90%以上。恶劣气侯环境下的风电机组可靠性得到重视。由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴,东南沿海具有台风、盐雾,西南地区具有高海拔等恶劣气候特点,恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响,包括增加维护工作量,减少发电量,严重时还导致风电机组损坏。因此,在风电机组设计和运行时,必须具有一定的防范措施,以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力,减少损失。因此,今年来中国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手进行了研究,以确保风电机组在恶劣气候条件下能可靠运行,提高发电量。

6﹒低电压穿越技术得到应用

随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大,风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话,将严重影响电力系统的运行稳定性。因此,随着接入电网的风力发电机容量的不断增加,电网对其要求越来越高,通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行(fault ride-through),并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行,也就是说,要求风电机组具有一定低电压穿越(lowvoltage ride-through)能力。随着风力发电装机容量的不断增大,很多国家的电力系统运行导则对风电机组的低电压穿越(LVRT)能力做出了规定。我国的风电机组在电网电压跌落情况下,也必须采取相应的应对措施,确保风电系统的安全运行并实现LVRT功能。目前,我国已有多家企业的风电机组产品通过了低电压穿越性能试验。