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高空市场系列1 风电新的解决方案

发布者:    浏览次数:    发布日期:2016-12-29

从定义看,高空风电是利用距地面约1600至40000英尺高空的风力来发电。早在20世纪70年代爆发能源危机时,各类高空风电的设计就不断涌现。发达国家对高空风电的研究从未停止。美国、荷兰、意大利等国都多次进行过高空风能发电试验。目前主要有两种高空风电的构架方式。第一种是在空中建造发电站,然后通过电缆输送到地面;第二种类似“放风筝”,即通过拉伸产生机械能,再由发电机转换为电能。

  从技术层面看,高空“风筝型”发电有两大关键环节,首先是高空风能收集环节,其次是高空风能转化环节。其中,在高空风能收集环节,为了把“风筝”凭借风力送上天,至少需要100吨拉力。如果用钢铁做绳子,如此远距离,钢绳连自身重力都无法承受,因此采用的材料必须比重极轻,并具备高强度、耐腐蚀的特点。

  高空风能转化环节,则需要有效解决空中系统的稳定性,高空风能发电的持续性和稳定性难以得到有效保障。“风筝型”高空风力发电系统中,由于“风筝”既担负平衡作用,又担负做功的主体,平衡运动与做功运动互相耦合,所以不能分别控制,对平衡的控制必然影响到做功运动。而做功运动也必然会影响到系统的平衡。在整个运行做功的过程中,系统的平衡稳定很容易被破坏,而寻找平衡与做功的最佳控制模式复杂而又困难。

  站在能源格局的角度,利用好风能十分必要。风能是太阳能的转化形式,是一种不产生污染物排放的可再生自然资源。受破解化石能源日趋枯竭、保障能源供应安全和保护环境等诉求驱动,20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家均十分重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来,现代风能的最主要利用形式——风力发电发展十分迅速,全球风电机装机年均增长率超过30%,从1990年的216万千瓦升至2003年的4020万千瓦。

  同时,风电商业性开发的可行性已得到了验证,限制风能大规模商业开发利用的主要因素——风力发电成本过去20年中有了大幅下降。随风力资源不同、风电场规模不同和采用技术不同,风力发电的成本也相应有所不同。目前低风力发电成本已降至每千瓦时3至5美分,高风力发电成本也降至每千瓦时10至12美分。到2010年,其更将降至每千瓦时2至4美分和每千瓦时6至9美分,达到与化石能源展开竞争的水平。

  随着风能这一态势的发展,全球风力发电装机到2020年预计达12.45亿千瓦,发电量占全球电力消费量的12%。业内普遍认为,风能将是21世纪最有发展前途的绿色能源,是当前人类社会经济可持续发展的最主要的新动力源之一。

  我国具有产业先天优势

  高空风电之所以被业内给予很高期望,在于目前的风能利用仅限于几十米至百米的低空,其一大缺点就是不稳定可靠。而在几千米至1万米的高空,不仅风速更大且风力稳定,一年中不刮风的时间不足5%,因此高空风能发电具有发电时间长与输出稳定的优势。同传统风电相比,高空风电投资成本约为常规风电的1/3到1/2,而占地面积仅为1/30且无噪音,对环境影响较小。

  业内人士强调指出,高空风电客观上克服了传统风电因风量随意性、波动性以及所处地理位置偏僻所伴生的电网建设欠缺等“缺陷”,可以一定程度上降低弃风问题的严重程度。

  正因为如此,尽管业内对于高空风电的技术可行性存有较大的疑问,但是高空风电客观的存在并有巨大的利用价值却是不争的事实。

  美国环境和气候科学家克里斯蒂安·阿切尔和肯·考德伊拉在研究报告指出:高空中蕴藏的风能超过人类社会能源总需求的100多倍。美国国家环境预报中心(NCEP)1979年至2006年的数据资料表明:在500米至15000米的高度范围,风的流向稳定,且高度越高、风的强度越大,稳定性就会越好;当靠近地面时,受地形等影响,风具有很强的随机性,强度也显著下降。

  而美国国家环保中心和美国能源局的气候数据则显示,高空风能最好的地点是美国东海岸和亚洲东海岸。这其中,就包括中国。

  相关资料显示,中国绝大部分地区5000米以上高空中的有效风能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空风的稳定性,高空风能发电技术的另一大优势就是电场可以建在主干电网附近或大城市周边,而不像传统太阳能发电场、传统风电场多位于远离发达城市和主干电网的偏远地区或海边。

  2009年,北京市上空百米高度的平均风速是每秒4.1米,能量密度是每平方米78瓦;700米高度的风速是每秒7.3米,能量密度每平方米430瓦;而在万米高度,风速达到每秒34.5米,能量密度则上升到每平方米16275瓦。青岛市条件更好:100米高度风速每秒5.5米,能量密度每平方米194瓦;700米高度风速每秒7.5米,能量密度每平方米470瓦;万米风速每秒40.8米,能量密度高达每平方米22584瓦。

  据国网能源研究院副总经济师白建华介绍,眼下正致力于高空风能发电的欧美知名公司主要有WindLift、Altaeros energies、Makani Power等,几家公司分别发展自身的高空发电系统,目前研制出商用样机,最早于今年内能够商用化。

  此外,中国广东高空风能技术北京赛车pk10投注创造性地发明了天风技术方案,采用伞梯组合型高空风电机组解决了高空风能采集稳定性的问题,成为商业化的优势方案,世界上首台实用性大功率高空风能发电系统已经落户安徽芜湖。

  两大顽疾仍待解

  白建华指出,风电在技术层面上有诸多解决方案,一是在“风筝”机翼上安装类似螺旋桨的涡轮机叶片,空气带动叶片旋转产生电能,然后通过导电绳索将电能传送到地面,这种技术如今被昵称作“飞翔的发电机”;另一种方案是,通过空中的风筝施加给控制绳索的力,带动地面设备发电。目前的主流高空风能发电模式是高空风筝型发电。不过无论是哪种解决方式,都是一种伞梯的组合形式。

  伞梯组合高空风能发电的空中系统运行高度是300至10000米,与目前风力发电相比具有诸多优势。伞梯组合高空风能发电无噪音,无废气污染,不受地理位置的限制,是环境友好型的产品技术。高空风及高空风能相较于低空风和低空风能的优势是:风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断。

  但白建华认为,哪怕克服了技术路径和商业应用难题,高空发电仍有诸多难题待解,其中核心在于两个方面。首先,其运行范围内需要禁飞,而我国高空风能丰富地区为经济发达的东部地区航线密集,而该区域却是高空风能的优势区域,高空风能发电需要得到军方的批准。目前我国空域紧张,高空风能发电能否大规模应用,需要等待空域改革的进一步进行,放开空域用于民用。

  其次,就是风电上网问题,即使在技术和商业上均已实现突破的情况下,风电上网仍然困难重重。白建华强调,在近年快速发展之下,我国风电装机规模在2012年底超过美国成为世界第一。但风电发展过程中,因电网建设工期不匹配而导致的弃风消纳问题也逐步凸显,并同样可能成为高空风电的掣肘。数据显示,今年上半年弃风限电主要集中在蒙西(33亿千瓦时、弃风率20%)、甘肃(31亿千瓦时、弃风率31%)、新疆(29.7亿千瓦时、弃风率28.82%)。

  未来国家节能减排的方向或会是高空风电领域最大的利好。长江证券研究报告认为,高空风能发电对节能减排作用显著。根据专家统计估算,每输出1度风电,可以节约0.4千克标准煤。

  根据上述数据,并以中路股份参股的天风技术建设的100兆瓦高空风力发电场项目(年发电量约5.6亿千瓦时)为例,可估算出仅此项目,正常投产后每年可为社会节约原煤逾30万吨,减少污染物排放逾70万吨。

  白建华表示,可以预见风力发电产业化道路仍然崎岖,但是技术的实现并非遥不可及。更重要的是其商业模式存在一定吸引力。他预计,如果政策环境到位,技术层面完全能达到商业化“甜蜜点”,只要产业配套成熟,未来发展仍值得期待。 

 

来源:中国证券报

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