風(fēng)能發(fā)電電機(jī)的比較

風(fēng)能發(fā)電電機(jī)的比較本文主要對雙饋式風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行一些簡單介紹，并對其特性，成本進(jìn)行了比較分析，個人認(rèn)為采用永磁直驅(qū)技術(shù)是大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品發(fā)展可能的趨勢；隨后介紹了國內(nèi)外目前永磁直驅(qū)式風(fēng)電電機(jī)的生產(chǎn)狀況；最后對永磁直驅(qū)式風(fēng)電電機(jī)所需要的永磁材料釹鐵硼和上游稀土進(jìn)行了簡單介紹。1雙饋式和直驅(qū)式變速變槳風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率更高，能夠有效降低風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行噪聲，具有更好的電能質(zhì)量，通過主動控制等技術(shù)能夠大幅度降低風(fēng)電機(jī)組的載荷，使得風(fēng)電機(jī)組功率重量比提高，這些因素都促成了變速變槳技術(shù)成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流技術(shù)。目前，市場上主流的變速變槳恒頻型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)分為雙饋式和直驅(qū)式兩大類。雙饋式變槳變速恒頻技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用了風(fēng)輪可變速變槳運(yùn)行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，而直驅(qū)式變速變槳恒頻技術(shù)采用了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)直接耦合的傳動方式，發(fā)電機(jī)多采用多極同步電機(jī)，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅(qū)技術(shù)的最大特點(diǎn)是可靠性和效率都進(jìn)一步得到了提咼。還有一種介于二者之間的半直驅(qū)式，由葉輪通過單級增速裝置驅(qū)動多極同步發(fā)電機(jī)，是直驅(qū)式和傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的混合。1.1概念簡介雙饋式：交流勵磁發(fā)電機(jī)又被人們稱之為雙饋發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)電機(jī)組中，為了讓風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相匹配，必須在風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間用齒輪箱來聯(lián)接，這就增加了機(jī)組的總成本；而齒輪箱噪音大、故障率高、需要定期維護(hù)，并且增加了機(jī)械損耗；機(jī)組中采用的雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜；電刷和滑環(huán)間也存在機(jī)械磨損。目前，世界各國正在針對這些缺點(diǎn)改進(jìn)機(jī)組或研制新型機(jī)組，如無刷雙饋機(jī)組。圖1雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)連接圖永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，就是取消了昂貴而又沉重的增速齒輪箱，風(fēng)輪軸直接和發(fā)電機(jī)軸直接相連，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨來流風(fēng)速的變化而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過大功率電力電子變頻器將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。永磁風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的連接情況如圖2所示。圖2永磁風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的連接1.2特性比較表1雙饋型與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性比較

機(jī)型和特性雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)維護(hù)成本較咼（齒輪箱故障多）低系統(tǒng)價格中高系統(tǒng)效率較咼高電控系統(tǒng)體積中較大變流器容量全功率的1/3全功率變流變流系統(tǒng)穩(wěn)定性中高電機(jī)滑環(huán)半年換碳刷，二年換滑環(huán)無碳刷，滑環(huán)電機(jī)造價低（1.5WM50萬左右）高（1.5MW160萬左右）電機(jī)尺寸?。ㄖ睆郊s為1.5m）大（直徑4.8米左右）電機(jī)重量輕重塔內(nèi)電纜工作電高頻非正弦波，具有較大諧波分量 正弦波流類型諧波畸變可控性難以控制，因?yàn)橐S著轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行變頻，容易控制，因?yàn)橹C波頻率穩(wěn)定，控控制回路多 制回路少電機(jī)種類勵磁永磁，設(shè)計(jì)時要考慮永磁體退磁問題雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是采用了多級齒輪箱驅(qū)動有刷雙饋式異步發(fā)電機(jī)。它的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運(yùn)行維護(hù)成本高且存在機(jī)械運(yùn)行損耗。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在傳動鏈中省掉了齒輪箱，將風(fēng)輪與低速同步發(fā)電機(jī)直接連接，然后通過變流器全變流上網(wǎng)，降低了機(jī)械故障的概率和定期維護(hù)的成本，同時提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行可靠性，但是電機(jī)體積大、價格高。永磁直驅(qū)雖然發(fā)電機(jī)體積大、成本高，但由于省去了昂貴的齒輪箱，電能生產(chǎn)的機(jī)械傳動路徑縮短了，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械損耗、噪聲以及材料的磨損甚至漏油等問題使機(jī)組的工作壽命更有保障，也更適合于環(huán)境保護(hù)的要求；發(fā)電機(jī)外圍面積大，易散熱，由于沒有電勵磁，轉(zhuǎn)子損耗近似為零，可采用自然通風(fēng)冷卻，結(jié)構(gòu)簡單可靠；交流一直流一交流變頻裝置可以根據(jù)要求進(jìn)行有功功率、無功功率及頻率輸出的任意調(diào)節(jié)，諧波分量低，具有很強(qiáng)的低電壓穿越能力，以適應(yīng)電網(wǎng)擾動，實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。由此可以看出，永磁材料的使用使直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢更加突出。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)是：對永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高，電機(jī)重量和成本增加。另外，IGBT逆變器的容量較大，一般要選發(fā)電機(jī)額定功率的120%以上。1.3成本比較從制造成本角度講，雙饋型與直驅(qū)型發(fā)電機(jī)組的差別主要有三個方面：電機(jī)，齒輪箱，變流器?？刂葡到y(tǒng)等其它系統(tǒng)的造價相差不多。下表是對1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組（簡稱雙饋式）和發(fā)電機(jī)外徑為4m的1.5MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組（簡稱直驅(qū)式）進(jìn)行定量的比較。表2雙饋和直驅(qū)型價格對比（單位：萬元）機(jī)型主要設(shè)備價格其他設(shè)備總結(jié)安裝運(yùn)輸費(fèi)用機(jī)組設(shè)備總價單位千瓦造價齒輪箱發(fā)電機(jī)變頻器風(fēng)輪塔架雙饋式116.152 50236.218413865.5841.70.56直驅(qū)式0 158.496.7236.2184142.167.98850.59由上表可知:永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備總價比雙饋風(fēng)電機(jī)組的高5%,單位千瓦造價高5.5%,雙饋機(jī)組在價格上占有一定的優(yōu)勢，但總體價格相差并不是很大。從維修成本來看，直驅(qū)型占有相當(dāng)大的優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的受力狀況極為惡劣，經(jīng)常在急劇變化的重載荷下連繼運(yùn)行數(shù)十小時，采用雙饋型機(jī)組時，風(fēng)輪所受到的各種載荷都通過主軸直接傳遞給齒輪箱的低速軸，所以齒輪箱成為故障率最高的部件。有的風(fēng)場齒輪箱損壞率高達(dá)40%?50%，個別品牌的齒輪箱更換率幾乎接近100%。以大坂城風(fēng)電場一場為例，由齒輪箱故障或損壞導(dǎo)致的直接電量損失年均約15萬kW.h，占非常規(guī)維護(hù)工作量的40%以上。1.4電機(jī)比較小結(jié)綜上文所述:雙饋風(fēng)電機(jī)組具有很高的性價比，尤其適合變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因而在未來一段時間內(nèi)仍然是風(fēng)電行業(yè)的主流機(jī)型。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡單；電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量大大提高。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件成熟時，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有望成為風(fēng)電領(lǐng)域更受歡迎的產(chǎn)品。目前，由于雙饋風(fēng)電機(jī)組技術(shù)十分成熟，生產(chǎn)廠商較多，業(yè)主選擇性更強(qiáng)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，仍是風(fēng)電場開發(fā)的主流機(jī)型。而直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)尚未完全成熟，國內(nèi)生產(chǎn)廠商較少，有些機(jī)型還處在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，并且已投人運(yùn)行的機(jī)組運(yùn)行時間較短，其性能、工藝質(zhì)量尚需時日考驗(yàn)，更大兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組仍需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面進(jìn)一步研究。此外，使用性能更好的變流器才會有更好的前景。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組是近幾年發(fā)展起來的新型機(jī)組，代表了未來風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向。隨著永磁新材料的使用，新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)和電力電子變流器的結(jié)合，有望大幅減少大功率低速直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的空間尺寸，可以預(yù)見直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組尤其是永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的市場占有率將不斷增長。從國外技術(shù)發(fā)展上來看，采用永磁直驅(qū)技術(shù)是大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品發(fā)展必然的趨勢，而且稀土永磁材料在我國的儲量最大，原材料成本遠(yuǎn)小于國外，更應(yīng)該考慮采用永磁直驅(qū)技術(shù)。必須注意的是永磁電機(jī)占直驅(qū)機(jī)組的成本31%，而雙饋電機(jī)只占雙饋發(fā)電機(jī)組的6%,這樣的話采用直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方案利潤空間會更大。2國內(nèi)外生產(chǎn)狀況國外直驅(qū)風(fēng)電技術(shù)相對比較成熟，已有許多專利和成型的產(chǎn)品。1997年市場上最早出現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，由德國ENERCONGMBH公司制造，機(jī)組容量從330kW?2MW；2000年瑞典ABB公司研制出3MW的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其中包括永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)Windformer，容量3兆瓦、高約70米、風(fēng)扇直徑約90米;2003年日本三菱重工自行制造出2MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，并投人運(yùn)行；2004年4月德國西門子公司開發(fā)的3MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在世界最大的位于挪威Hundhammerfiell的風(fēng)電場，據(jù)稱發(fā)電機(jī)效率達(dá)到98%。德國目前已研制出5Mw的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。近年來，國內(nèi)多家企業(yè)也開始兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與制造。2005年金風(fēng)研制的我國首臺1?2MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在新疆達(dá)坂城風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電；湘潭電機(jī)集團(tuán)與日本原弘產(chǎn)株式會社合資組建的湖南湘電風(fēng)能有限公司，2兆瓦直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電整機(jī)機(jī)組已試車成功。2007年11月湘電風(fēng)能開發(fā)的2臺2MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在內(nèi)蒙古大唐卓資風(fēng)電場正式并網(wǎng)發(fā)電，08年2月又有2臺2MW機(jī)組在福建漳州天鰲風(fēng)電場順利并網(wǎng)，這些實(shí)例都說明我國正在掌握直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。廣西銀河艾萬迪斯風(fēng)力發(fā)電有限公司與德國AVAVTIS公司聯(lián)合推出的2.5兆瓦直驅(qū)變槳風(fēng)力發(fā)電也將于2008年二季度完成樣機(jī)；具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新疆金鳳科技股份公司、哈爾濱九州電氣公司也分別研制出1?5兆瓦直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。表3國內(nèi)主要企業(yè)2種機(jī)組參數(shù)及應(yīng)用情況(截止2008年4月)3永磁材料3.1釹鐵硼簡介永磁材料簡介傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)磁場電流通過滑環(huán)時引起與電流平方值成正比的焦耳損耗。采用永磁體磁場不存在這個問題。由于損耗很低，發(fā)熱很小，也不需要冷卻。在設(shè)計(jì)過程中特別注意了磁路的優(yōu)化問題，包括磁路的尺寸設(shè)計(jì)，以避免永磁體的去磁。近年來永磁材料的發(fā)展不斷取得新的進(jìn)步。從早期的鋁鎳鉆(AlNico),發(fā)展到鐵鍶(Fesr),釤鉆(SmCo)，釹鐵硼(NdFeB)。NdFeB的單位體積能量高達(dá)240kJ/m3,是原來永磁材料的6倍。燒結(jié)NdFeB永磁材料是目前高性能永磁材料中性價比最高的，現(xiàn)代材料科學(xué)尚未發(fā)現(xiàn)在磁性能和經(jīng)濟(jì)性方面能夠替代它的永磁材料?？萍冀缫财毡檎J(rèn)為，在今后20?30年內(nèi)，不會有超越燒結(jié)Nd—FeB的永磁材料出現(xiàn)并大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。本章主要是介紹目前永磁新材料一一釹鐵硼，這也是直驅(qū)發(fā)電機(jī)組使用的材料。釹鐵硼介紹用途：燒結(jié)釹鐵硼(NdFeB)永磁號稱''磁王〃，因其極高的磁性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中，遍布軍用和民用的各領(lǐng)域，如音響用喇叭磁片、通訊、計(jì)算機(jī)VCR磁體、永磁電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、核磁共振、磁懸浮、電動車、玩具、保健行業(yè)、磁選等。隨著全球原材料、資源以及能源的日益緊張，以風(fēng)電為標(biāo)志的新型節(jié)能環(huán)保新能源在國內(nèi)快速發(fā)展，隨著直驅(qū)發(fā)電機(jī)組技術(shù)的成熟,將可能推動了高性能NdFeB永磁市場的增長。價格：自從燒結(jié)NdFeB永磁材料投入工業(yè)應(yīng)用以來，全世界的年產(chǎn)量一直維持較高速度的增長。需求雖然從2002年至今一直保持著30%以上的年增長率，但由于中國的產(chǎn)能擴(kuò)大，使世界燒結(jié)NdFeB平均價格一路走低，1997年的109美元/千克直至2005年的43.9美元/千克，此后，由于稀土材料價格上漲及美元貶值，上一輪資源價格的上漲，2006年達(dá)48.9美元/千克，2007年約50.0美元/千克。成本：原材料成本以釹(鐠釹)、鐵、硼鐵為主。以及極少量的鋱、鉆、鈮、銅等。釹(鐠釹)價格按16?20萬元/噸，用量約30%；純鐵粉的價格約為1萬元/噸，用量約70%；硼鐵用量約2%,價格約為3萬元/噸；雖然1噸鋱和鉆達(dá)到數(shù)10萬元，但用量極低，占有原料成本比例小。因此，1噸燒結(jié)NdFeB的原料成本約8萬元，換算(匯率取6。8)等于11?8美元/千克。一一這成本價格大概是去年年底國內(nèi)廠商生產(chǎn)成本。生產(chǎn)1噸燒結(jié)NdFeB的電力成本約0.65?0.70萬元。除此之外，還有輔助成本，如氣體供應(yīng)及使用、設(shè)備維修與維護(hù)、產(chǎn)品檢查及測試、人員工資及管理費(fèi)用、加工、包裝及運(yùn)輸、設(shè)備折舊等，要視具體情況計(jì)算。目前以中牌號、中高牌號產(chǎn)品定位的企業(yè)效益相對穩(wěn)定，毛利率可達(dá)30%左右。直驅(qū)發(fā)電機(jī)對NdFeB的需求：一臺1.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)總共需用NdFeB永磁材料1?2噸，2MW需要1?5噸。一臺1?65MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)總共需用永磁材料0?5噸，一臺大功率發(fā)電機(jī)所需要的NdFeB永磁材料更多。而且大型永磁直驅(qū)分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的陸續(xù)投產(chǎn)，將帶動高牌號NdFeB材料市場需求的迅速發(fā)展，勢必出現(xiàn)一個大功率永磁發(fā)電機(jī)應(yīng)用的高峰。，國內(nèi)的燒結(jié)NdFeB永磁材料生產(chǎn)以中低牌號為主，無法滿足市場需求。（在技術(shù)上，日本擁有燒結(jié)Nd—FeB發(fā)明的知識產(chǎn)權(quán)，雖然在2003年已有大部分專利失效，但其技術(shù)水平一直居于世界領(lǐng)先地位）。NdFeB生產(chǎn)的投資屬于中等規(guī)模，占用土地和廠房面積都不大，投資的絕大部分在于購買設(shè)備。目前，國產(chǎn)設(shè)備完全能滿足國內(nèi)中檔產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。如果要確保產(chǎn)品的高性能和高穩(wěn)定性，一般需要進(jìn)口部分關(guān)鍵設(shè)備。生產(chǎn)永磁材料（釹鐵硼）上市公司：中科三環(huán)：公司主要從事稀土永磁和新型磁性材料及其應(yīng)用產(chǎn)品的研究，開發(fā)和向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的高新技術(shù)企業(yè)，是中國最大、全球第二大釹鐵硼永磁材料制造商。風(fēng)力發(fā)電中使用的直驅(qū)永磁機(jī)組和新能源汽車使用的驅(qū)動電機(jī)都要大量使用釹鐵硼。公司正在積極推進(jìn)釹鐵硼磁體在風(fēng)力電機(jī)和混合動力汽車的應(yīng)用。寧波韻升:寧波韻升主要產(chǎn)品為八音盒、釹鐵硼和電機(jī)。在國內(nèi)市場中具有相當(dāng)重要的地位，其中八音盒產(chǎn)量居全球第一，分別占據(jù)了95%的國內(nèi)市場與50%的國際市場，汽車馬達(dá)電機(jī)100%出口美國，居國內(nèi)第一。太原剛玉:公司是亞洲最大的棕剛玉生產(chǎn)基地，全國市場占有率達(dá)30%左右，棕剛玉被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防等尖端領(lǐng)域。另外，公司是我國最大的釹鐵硼材料生產(chǎn)企業(yè)之一，產(chǎn)能位居國內(nèi)同行業(yè)的第三位。3.2釹鐵硼材料上游一一稀土稀土元素在地殼中豐度并不稀少，只是分散而已。因此，雖然稀土的絕對量很大，但就目前為止能真正成為可開采的稀土礦并不多，而且在世界上分布極不均勻，主要集中在中國、美國、印度、前蘇聯(lián)、南非、澳大利亞等幾個國家，其中中國的占有率最高。隨著國外稀土勘探獲得進(jìn)展和我國稀土大量開發(fā)，我國稀土儲量所占比例不斷下降。根據(jù)美國礦務(wù)部1998年統(tǒng)計(jì)，中國的稀土資源占全球稀土資源的80%左右，具有絕對的資源優(yōu)勢。但是2005年美國礦務(wù)部統(tǒng)計(jì),全球已勘察可供開采稀土礦藏儲量1?54億噸（REO），其中8900萬噸（REO）在中國，占全球儲量的近58%，這些最新的數(shù)據(jù)顯示，中國占全球稀土的比例正在逐年下降。按照中國稀土學(xué)會提供數(shù)據(jù)顯示，世界累計(jì)探明稀土工業(yè)儲量約1億噸，我國已探明的稀土資源儲量為5200萬噸，我國稀土儲量已從7000多萬噸下降為5200萬噸左右，仍居世界首位，但比重已從70%左右降至近58%。與我國大量開采稀土形成鮮明對比，國外稀土生產(chǎn)大國都在采取各種方式儲備稀土資源，如美國是世界第二大稀土儲量大國，但把國內(nèi)最大的芒廷帕斯稀