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国家“ 973” 风能项目首席科学家 江苏省发改委宏观经济研究院院长 顾为东 博士 PowerPoint Presentation
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大规模非并网风 / 铝一体化产业发展研究. 国家“ 973” 风能项目首席科学家 江苏省发改委宏观经济研究院院长 顾为东 博士. 主要内容. 一、风电发展和面临的瓶颈 二、非并网风电系统的内涵 三、非并网风电的研究进程 四、非并网风电电解铝一体化. 一、风电的发展和面临的瓶颈. 风是一种永不枯竭的资源。进入 21 世纪,风能作为一种高效清洁的能源正受到越来越多国家的高度重视 全球的风能约为 2.74×10 9 MW ,其中可利用的风能为 2×10 7 MW , 是全球可开发利用水能资源总量 10 多倍 ,远超过地球上固体、液体及气体燃料能量的总和

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大规模非并网风/铝一体化产业发展研究

国家“973”风能项目首席科学家

江苏省发改委宏观经济研究院院长

顾为东 博士

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主要内容

一、风电发展和面临的瓶颈

二、非并网风电系统的内涵

三、非并网风电的研究进程

四、非并网风电电解铝一体化

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一、风电的发展和面临的瓶颈

  • 风是一种永不枯竭的资源。进入21世纪,风能作为一种高效清洁的能源正受到越来越多国家的高度重视
  • 全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,是全球可开发利用水能资源总量10多倍,远超过地球上固体、液体及气体燃料能量的总和
  • 中国可利用风能资源同样超过化石能源的总和,约为10亿千瓦
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一、风电的发展和面临的瓶颈

  • 经济高速增长的中国,2008年二氧化碳排放量为71.2亿吨,约占世界排放总量316亿吨的1/4,超过美国是世界上最大的温室气体排放国
  • 哥本哈根气候会议上,中国政府承诺2020年单位GDP碳排放将比2005年减少40%-45%,未来将面临巨大的二氧化碳减排压力
  • 风能作为一种绿色环保的可再生能源,提供了一种重要的可替代煤炭来发电的能源,在二氧化碳减排方面有很大潜力
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一、风电的发展和面临的瓶颈

到2009年底,中国风电机组累计装机容量达到2510万千瓦,比去年新增装机1300万千瓦。

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一、风电的发展和面临的瓶颈

目前,风电并网是世界上大规模风电场的唯一应用方式。风的高度不稳定性,导致风电大幅度波动。在没有水电或燃气发电调峰的情况下,风电对电网贡献率难以超过10%,这是一个世界性难题。

每天

每5天

  上图为新疆达坂城某风电场负荷曲线图

江苏某四个风电场负荷曲线图

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一、风电的发展和面临的瓶颈

  • 据中电联统计数据:
  • 2008年中国风电装机容量累计达1221万千瓦,但实现并网发电的只有894万千瓦
  • 2009年,中国实现并网发电的风电装机仅为1613万千瓦。因电网调峰限制输电上网的达1/3,也就是说,有897万千瓦以上的风机在空转,并未输电上网
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一、风电的发展和面临的瓶颈

  • 风电并网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相位等苛刻的技术要求,需要增加大量辅助设备,由此大幅度提高了风力机制造成本和风电价格,约为火电价格的2倍。

“并网困难”和“成本较高” 已成为制约风电发展的两大世界性难题。

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主要内容

一、风电的发展和面临的瓶颈

二、非并网风电系统的内涵

三、非并网风电的研究历程

四、非并网风电电解铝一体化

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二、非并网风电系统的内涵

我们提出用大规模非并网风电的新思路来解决这一世界性难题。

所谓大规模非并网风电,是指风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网,而是直接应用于一系列能适应风电特性的高耗能产业及其它特殊领域。

(一)非并网风电:风电多元化发展新思路

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风轮

发电机

电网

数字控制

发电机

终端用户

(a)并网风电系统结构示意图

数字控制

终端用户

风轮

(b) 非并网风电系统结构示意图

非并网风电不通过电网,直接应用于一系列能适应风电特性的终端用户,主要适用于50万-1000万千瓦以上大规模风电场。

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二、非并网风电系统的内涵

(一)非并网风电:风电多元化发展新思路

小型风场

渔船、蒙古包等

(需要蓄电池)

500MW

不上网,用于高载能产业

50~500MW

并网,贡献率≤10%

离网型

并网型

非并网

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二、非并网风电系统的内涵

(二)非并网风电的应用优势

  • 非并网风电系统采用直流电,回避风电上网电压差、相位差、频率差难以控制的问题,绕开电网这一限制风电大规模应用的瓶颈
  • 突破终端负荷使用风电的局限,使风电在大规模非并网风电系统中的供电比重达到100%
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二、非并网风电系统的内涵

(二)非并网风电的应用优势

  • 建立100%消耗大规模风电场电力的非并网风电应用系统,解决大规模、超大规模风电场电量的应用难题
  • 构建高效率、高可靠性、低成本的大规模非并网风电系统,系统内风电价格接近或低于煤电
  • 实现大规模风电发展的社会效益、环境效益和经济效益的统一
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根据目前研究,非并网系统的高耗能负载可包括:根据目前研究,非并网系统的高耗能负载可包括:

以电解铝为重点的有色冶金工业

盐化工氯碱产业

大规模海水淡化

规模化制氢、制氧

风煤多能源系统煤基化工

以非金属为原料的精深加工产业链

二、非并网风电系统的内涵

(三)非并网风电的负载

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主要内容

一、风电的发展和面临的瓶颈

二、非并网风电系统的内涵

三、非并网风电的研究历程

四、非并网风电电解铝一体化

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三、非并网风电的研究历程

  • “973”计划是国家重点基础研究发展计划,核心是围绕重大科学问题开展研究,反映国家重大战略需求
  • 本项目2007年在北京通过科技部组织的三轮专家答辩,成为国家“973”计划能源领域第一个、也是目前唯一一个风电项目
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三、非并网风电的研究历程

  • 项目承担单位:江苏省宏观经济研究院、清华大学、南京航空航天大学、东北大学和中科院地理所,其中含4个国家重点实验室
  • 项 目 研 究 团 队:院士3人,学术骨干68人,

参与研究人员200余人

  • 首 席 科 学 家:顾为东博士
  • 项目专家组组长:倪维斗院士

副组长:石定环参事

  • 跟踪专家组组长:黄其励院士

副组长:陈霖新教授

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大规模非并网风电系统的基础研究

项目依据

国内外背景

国内外研究现状

立项依据

空气动力学

应用经济学

非并网风电的

理论基础

电气工程

机械工程

控制科学与工程

化学工程与技术

理论基础

项目框架

非并网风电系统研究专项课题

非并网风电运行

新型风力发电系统

多元化用户负载

非并网风电系统运行规律及空间模型研究

非并网风电的特殊负载耦合机理研究

特种双凸极无刷直流发电机基础理论研究

非并网风力发电系统控制基础研究

基于定桨距风轮气动特性的转速控制基础研究

风力机气固耦合振动问题研究

课题设置

大规模非并网风电系统

综合验证平台研究

成果分析

结论与成果

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三、非并网风电的研究历程

大规模非并网风电的基础理论研究已进行了30余年。

1980年开始研究,1984年开始陆续发表论文。 

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早期研究成果得到各级政府肯定:

  • 1979年江苏省青年十大标兵(科技界唯一代表)
  • 1979年全国新长征突击手
  • 1978年江苏省先进科技工作者(江苏省政府命名)
  • 江苏省第五届人大代表
  • 共青团全国十大代表
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2006年3月,在清华大学电力电子实验室进行非并网风电用于氯碱电解的概念性试验。实验报告认为,“该实验数据准确,方法科学,结果可信。非并网风电直接应用于高耗能产业是一个值得探讨的方向。可在此基础上进一步进行工业性中试”。2006年3月,在清华大学电力电子实验室进行非并网风电用于氯碱电解的概念性试验。实验报告认为,“该实验数据准确,方法科学,结果可信。非并网风电直接应用于高耗能产业是一个值得探讨的方向。可在此基础上进一步进行工业性中试”。

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三、非并网风电的研究历程

2006年10月,召开研讨会,与会国内外专家认为,大规模风电直接应用于工业的构想拓宽了风电发展的新视野,这一成果具有国际领先水平。这本书获得2005年度国家发改委优秀研究成果二等奖。

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世界风能协会原主席Preben Maegaard:“ 顾氏风电非并网理论在世界上是首创,为风电的应用和推广提供了非常有价值的建议,对其他发展风能的国家也提供了借鉴,顾在20年前提出的这一理论,现在仍能领先世界先进水平令我感到震惊,我将到世界各地广泛宣传这一理论”。
  • 全球风能理事会理事长Arthouros Zervos:“在全球范围内,非并网是风电一种重要的应用,而且这种应用不是小规模的,而是大规模的。非并网风电的研究与开发,揭示了我们人类大规模风电多元化应用的开端。”
  • 美国国家可再生能源实验室主任Dan Arvizu:“发展非并网风电这是一个很有意义的进步和创新,我非常乐意与你们共同开展这方面的研究和咨询”。
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世界可再生能源理事会主席Wolfgang Palz:“大规模风电非并网世界上还没有先例,会使中国在风电发展方面成为世界先进的国家”。

  • 国务院参事、中国可再生能源学会会长石定寰:“顾为东博士提出的非并网这一创新理念和概念,对我国风电事业的发展肯定会发挥很重要的作用”。
  • 国家发展改革委宏观经济研究院原院长白和金:“非并网风电直接用于高耗能产业,它的影响所及,不仅仅对江苏省,乃至对全国能源结构,能源布局都要产生重大影响,而且对高耗能产业的全国性产业布局,乃至于对这些高耗能资源性产品的原料和产品进出口、对全球经济都会产生重大的影响”。
  • 中国风能协会副理事长施鹏飞:“对于非并网风电我们应抓紧时间进行研究,再过几年等国外风电上网的矛盾激化,开始进行非并网研究时,由于他们人力、物力、财力比较雄厚,就会走在我们前面,造成墙内开花,墙外结果”。
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我国第一个风电项目国家博士后科研工作站(上图)和江苏省新能源博士后科研工作站揭牌仪式。

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2009第一届世界非并网风电与能源大会在南京举行

来自13个国家的281名国内外专家、学者与会。

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世界风能学会主席Preben Maegaard、世界风能协会主席Anil Kane、非洲风能协会、埃及风能协会会长Galal Osman、美国南方理工州立大学Omar Zia教授、日本东京工业大学村原正隆教授等国际风能专家先后考察研究院实验室。

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2010年1月16日在国家主管部门领导表示要尽快启动建立中试基地,并给予立项和经费的大力支持。2010年1月16日在国家主管部门领导表示要尽快启动建立中试基地,并给予立项和经费的大力支持。
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目前,项目理论阶段研究已基本完成,取得一系列阶段性成果,并于2009年1月通过了科技部的中期评审,实现了计划目标。目前,项目理论阶段研究已基本完成,取得一系列阶段性成果,并于2009年1月通过了科技部的中期评审,实现了计划目标。

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主要内容

一、风电的发展和面临的瓶颈

二、非并网风电系统的内涵

三、非并网风电的研究历程

四、非并网风电电解铝一体化

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四、非并网风电电解铝一体化

  • 铝是我国的重要战略物资,在电解铝等金属冶炼过程中需要消耗大量的电能
  • 2009年,我国电解铝产量达到1299万吨。按照目前国内电解铝的生产水平,每吨铝耗电约13200kWh
  • 全行业直流用电量约为1715亿度,实际用电量占全国用电量5%以上,是我国工业用电第一大户,典型的高载能产业
  • 目前,这些电力几乎全部由电网提供,每年排放约1.5亿吨二氧化碳
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铝电解生产高度自动化控制

我国电解铝企业至2003年已全部技术改造完毕,达到世界先进水平

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四、非并网风电电解铝一体化

  • 为解决风电发展面临的瓶颈,使我国丰富的风能资源尽快转化为现实生产力,将风电不经电网直接应用于电解铝等高载能产业是一种科学、合理、适合中国国情的好方法。

(1)2006年12月,在北京先后两次召开“非并网风电直接应用于高耗能(电解铝)产业中试方案”论证会

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四、非并网风电电解铝一体化

(2)2007年1月在国家重点学科铝镁实验室成功进行非并网风电直接应用于高载能电解铝中试,并熔炼出第一块铝锭

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四、非并网风电电解铝一体化

(3)2007年2月,在国家发改委能源所主持下,在北京召开“非并网仿真风电铝电解中试”成果评审会 ,专家认为“该试验成果属于世界首创,建议国家相关部门积极支持开展进行电解铝等非并网风电应用的规模化工业试验”

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四、非并网风电电解铝一体化

(4)2007年3月12日,国家发改委能源研究所在北京主持召开工业化试验方案评审会,专家们认为:“该方案思路明确,技术路线可行,可作为我国第一座‘非并网风电’直接应用于高耗能产业的科学试验基地。并建议国家有关部门尽早批准本试验项目的立项与实施,并将本项目列为国家重点研究项目予以支持”

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四、非并网风电电解铝一体化

  • 目前,我们已经解决了风电直接应用于电解铝工业的重大科学问题,揭示了风电应用于高载能产业的系统运行规律。在工业化生产应用上,重点突破了两个关键性技术瓶颈:

1)非并网风电与电解铝过程的耦合机理,研究出能够适应大规模风电电流大幅度波动的新型铝电解槽结构及生产工艺

2)多能源互动智能供电合系统,实现风电100%利用,不足部分由网电补充

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项目研制了2kA的新型风网互补电解铝系统,通过试验,成功地将电解过程产生的热量在电解槽侧部换出,并使电解过程保持平稳运行。

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四、非并网风电电解铝一体化

  • 为了适应风电的大幅波动,在风小、风大时铝电解槽的动态热平衡可以采用智能化循环换热方法加以解决
  • 风大时加速电解槽循环系统降温,风小时减小或停止电解槽循环系统保温
  • 智能控制系统根据风电情况和电解槽的生产需求实时在线控制电解槽动态热平衡系统的循环量和循环速度,保证电解槽稳定在设定的电解温度下,达到最佳的电解效率
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四、非并网风电电解铝一体化

风网互补智能供电方案

白天 、夜间两种不同供电方式图

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四、非并网风电电解铝一体化

  • 非并网风电电解铝系统,以风电为主、网电为辅,100%消耗风电,网电提供≯20%的保障用电
  • 风电直接应用于电解铝工业,可以简化风电并网运行所需的大量辅助设备,降低风电场的建设成本10%以上;减少输配电环节,提高风能的综合利用率,使得系统内风电的利用效率提高25%以上,降低风电成本
  • 如非并网风电与并网风电同价,经济效益更佳。在非并网风电系统中,风电供给高载能产业的价格与当地煤电上网的价格一致,风电标杆电价与煤电上网电价差别由国家补贴给风电场
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四、非并网风电电解铝一体化

  • 该系统夜间起到了抽水蓄能电站储能的作用,还节电25%以上,提高了电网运行质量,避免了对电网的冲击
  • 该系统采用了特殊工艺设计,可以吸纳风电峰值超负荷50%运行
  • 在资源出口税方面,按照风电在电解铝产品电耗中的比例减少相应的资源出口税(如电解铝产业的出口资源税15%,近期还将增收5%)
  • 如果我国60%的铝产量采用非并网风电电解生产,每年可以节煤2400万吨,减排二氧化碳6300万吨,并可形成千亿(元)级新兴战略性装备制造产业
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四、非并网风电电解铝一体化

这是一个“功在国家、利在企业、惠泽电网”的高新技术、高附加值、高竞争力的低碳经济绿色产业,使我国在世界上率先突破大规模、超大规模风电利用难题,为我国能源结构、高载能产业布局调整做出重要贡献。