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        高空市場系列1 風電新的解決方案

        發布者:    瀏覽次數:    發布日期:2016-12-29

        從定義看,高空風電是利用距地面約1600至40000英尺高空的風力來發電。早在20世紀70年代爆發能源危機時,各類高空風電的設計就不斷涌現。發達國家對高空風電的研究從未停止。美國、荷蘭、意大利等國都多次進行過高空風能發電試驗。目前主要有兩種高空風電的構架方式。第一種是在空中建造發電站,然后通過電纜輸送到地面;第二種類似“放風箏”,即通過拉伸產生機械能,再由發電機轉換為電能。

          從技術層面看,高空“風箏型”發電有兩大關鍵環節,首先是高空風能收集環節,其次是高空風能轉化環節。其中,在高空風能收集環節,為了把“風箏”憑借風力送上天,至少需要100噸拉力。如果用鋼鐵做繩子,如此遠距離,鋼繩連自身重力都無法承受,因此采用的材料必須比重極輕,并具備高強度、耐腐蝕的特點。

          高空風能轉化環節,則需要有效解決空中系統的穩定性,高空風能發電的持續性和穩定性難以得到有效保障?!帮L箏型”高空風力發電系統中,由于“風箏”既擔負平衡作用,又擔負做功的主體,平衡運動與做功運動互相耦合,所以不能分別控制,對平衡的控制必然影響到做功運動。而做功運動也必然會影響到系統的平衡。在整個運行做功的過程中,系統的平衡穩定很容易被破壞,而尋找平衡與做功的最佳控制模式復雜而又困難。

          站在能源格局的角度,利用好風能十分必要。風能是太陽能的轉化形式,是一種不產生污染物排放的可再生自然資源。受破解化石能源日趨枯竭、保障能源供應安全和保護環境等訴求驅動,20世紀70年代中期以來,世界主要發達國家和一些發展中國家均十分重視風能的開發利用。特別是自20世紀90年代初以來,現代風能的最主要利用形式——風力發電發展十分迅速,全球風電機裝機年均增長率超過30%,從1990年的216萬千瓦升至2003年的4020萬千瓦。

          同時,風電商業性開發的可行性已得到了驗證,限制風能大規模商業開發利用的主要因素——風力發電成本過去20年中有了大幅下降。隨風力資源不同、風電場規模不同和采用技術不同,風力發電的成本也相應有所不同。目前低風力發電成本已降至每千瓦時3至5美分,高風力發電成本也降至每千瓦時10至12美分。到2010年,其更將降至每千瓦時2至4美分和每千瓦時6至9美分,達到與化石能源展開競爭的水平。

          隨著風能這一態勢的發展,全球風力發電裝機到2020年預計達12.45億千瓦,發電量占全球電力消費量的12%。業內普遍認為,風能將是21世紀最有發展前途的綠色能源,是當前人類社會經濟可持續發展的最主要的新動力源之一。

          我國具有產業先天優勢

          高空風電之所以被業內給予很高期望,在于目前的風能利用僅限于幾十米至百米的低空,其一大缺點就是不穩定可靠。而在幾千米至1萬米的高空,不僅風速更大且風力穩定,一年中不刮風的時間不足5%,因此高空風能發電具有發電時間長與輸出穩定的優勢。同傳統風電相比,高空風電投資成本約為常規風電的1/3到1/2,而占地面積僅為1/30且無噪音,對環境影響較小。

          業內人士強調指出,高空風電客觀上克服了傳統風電因風量隨意性、波動性以及所處地理位置偏僻所伴生的電網建設欠缺等“缺陷”,可以一定程度上降低棄風問題的嚴重程度。

          正因為如此,盡管業內對于高空風電的技術可行性存有較大的疑問,但是高空風電客觀的存在并有巨大的利用價值卻是不爭的事實。

          美國環境和氣候科學家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報告指出:高空中蘊藏的風能超過人類社會能源總需求的100多倍。美國國家環境預報中心(NCEP)1979年至2006年的數據資料表明:在500米至15000米的高度范圍,風的流向穩定,且高度越高、風的強度越大,穩定性就會越好;當靠近地面時,受地形等影響,風具有很強的隨機性,強度也顯著下降。

          而美國國家環保中心和美國能源局的氣候數據則顯示,高空風能最好的地點是美國東海岸和亞洲東海岸。這其中,就包括中國。

          相關資料顯示,中國絕大部分地區5000米以上高空中的有效風能密度在每平方米1000瓦以上。由于高空風的穩定性,高空風能發電技術的另一大優勢就是電場可以建在主干電網附近或大城市周邊,而不像傳統太陽能發電場、傳統風電場多位于遠離發達城市和主干電網的偏遠地區或海邊。

          2009年,北京市上空百米高度的平均風速是每秒4.1米,能量密度是每平方米78瓦;700米高度的風速是每秒7.3米,能量密度每平方米430瓦;而在萬米高度,風速達到每秒34.5米,能量密度則上升到每平方米16275瓦。青島市條件更好:100米高度風速每秒5.5米,能量密度每平方米194瓦;700米高度風速每秒7.5米,能量密度每平方米470瓦;萬米風速每秒40.8米,能量密度高達每平方米22584瓦。

          據國網能源研究院副總經濟師白建華介紹,眼下正致力于高空風能發電的歐美知名公司主要有WindLift、Altaeros energies、Makani Power等,幾家公司分別發展自身的高空發電系統,目前研制出商用樣機,最早于今年內能夠商用化。

          此外,中國廣東高空風能技術有限公司創造性地發明了天風技術方案,采用傘梯組合型高空風電機組解決了高空風能采集穩定性的問題,成為商業化的優勢方案,世界上首臺實用性大功率高空風能發電系統已經落戶安徽蕪湖。

          兩大頑疾仍待解

          白建華指出,風電在技術層面上有諸多解決方案,一是在“風箏”機翼上安裝類似螺旋槳的渦輪機葉片,空氣帶動葉片旋轉產生電能,然后通過導電繩索將電能傳送到地面,這種技術如今被昵稱作“飛翔的發電機”;另一種方案是,通過空中的風箏施加給控制繩索的力,帶動地面設備發電。目前的主流高空風能發電模式是高空風箏型發電。不過無論是哪種解決方式,都是一種傘梯的組合形式。

          傘梯組合高空風能發電的空中系統運行高度是300至10000米,與目前風力發電相比具有諸多優勢。傘梯組合高空風能發電無噪音,無廢氣污染,不受地理位置的限制,是環境友好型的產品技術。高空風及高空風能相較于低空風和低空風能的優勢是:風速大、平均能量密度高、地域分布廣、穩定性高、常年不斷。

          但白建華認為,哪怕克服了技術路徑和商業應用難題,高空發電仍有諸多難題待解,其中核心在于兩個方面。首先,其運行范圍內需要禁飛,而我國高空風能豐富地區為經濟發達的東部地區航線密集,而該區域卻是高空風能的優勢區域,高空風能發電需要得到軍方的批準。目前我國空域緊張,高空風能發電能否大規模應用,需要等待空域改革的進一步進行,放開空域用于民用。

          其次,就是風電上網問題,即使在技術和商業上均已實現突破的情況下,風電上網仍然困難重重。白建華強調,在近年快速發展之下,我國風電裝機規模在2012年底超過美國成為世界第一。但風電發展過程中,因電網建設工期不匹配而導致的棄風消納問題也逐步凸顯,并同樣可能成為高空風電的掣肘。數據顯示,今年上半年棄風限電主要集中在蒙西(33億千瓦時、棄風率20%)、甘肅(31億千瓦時、棄風率31%)、新疆(29.7億千瓦時、棄風率28.82%)。

          未來國家節能減排的方向或會是高空風電領域最大的利好。長江證券研究報告認為,高空風能發電對節能減排作用顯著。根據專家統計估算,每輸出1度風電,可以節約0.4千克標準煤。

          根據上述數據,并以中路股份參股的天風技術建設的100兆瓦高空風力發電場項目(年發電量約5.6億千瓦時)為例,可估算出僅此項目,正常投產后每年可為社會節約原煤逾30萬噸,減少污染物排放逾70萬噸。

          白建華表示,可以預見風力發電產業化道路仍然崎嶇,但是技術的實現并非遙不可及。更重要的是其商業模式存在一定吸引力。他預計,如果政策環境到位,技術層面完全能達到商業化“甜蜜點”,只要產業配套成熟,未來發展仍值得期待。 

         

        來源:中國證券報

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