包 耳,胡紅英

（大連民族學院機電信息工程學院,遼寧 大連 116605）

風力發(fā)電的發(fā)展狀況與展望

包 耳,胡紅英

（大連民族學院機電信息工程學院,遼寧 大連 116605）

闡述了風力發(fā)電的發(fā)展狀況,分析了風力發(fā)電迅速發(fā)展的原因和條件,指出風力發(fā)電已由單一化向多元化方向發(fā)展。簡述了風力機技術(shù)、風電并網(wǎng)技術(shù)、海上風力發(fā)電的現(xiàn)狀。

風力發(fā)電；發(fā)展狀況；風機容量；并網(wǎng)技術(shù)

風是清潔的可再生能源,地球上風能資源極其豐富,據(jù)專家估計,全世界風能資源總量為全年2×1012kW,即 1%的地面風力就能滿足全世界對能源的需求。由于風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,風力發(fā)電已成為新能源技術(shù)中最成熟、最具開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

1 世界風力發(fā)電的發(fā)展狀況

19世紀末丹麥人研制出世界上第一臺風力發(fā)電機組,建成了世界上第一座風力發(fā)電站,隨后多個國家相繼研制了類型各異的風力發(fā)電設(shè)備。但由于當時風機技術(shù)較為落后、風電成本昂貴、人類對于能源和環(huán)境存在的潛在危機認識不足等原因,風力發(fā)電的發(fā)展速度緩慢。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā),使世界風能技術(shù)的發(fā)展處于停滯。戰(zhàn)后,到20世紀 60年代,廉價石油的大量使用又使得包括風能在內(nèi)的所有可再生能源都不受重視。1973年爆發(fā)的世界石油危機,使各國政府對新能源和可再生能源的利用給予高度重視。于是風電技術(shù)和國家政策等方面都有了長足進步[1-3]。

1.1 風電裝機容量

近 20年風電裝機容量增速顯著 （見表 1）,平均年增長率超過 30%[4]。全球風力發(fā)電量占總發(fā)電量的比例從 1996年的 0.1%增加到 2008年的 0.8%以上,其中德國、美國和西班牙風電發(fā)展較快,近 10來風電裝機容量一直保持領(lǐng)先地位。

表1 世界風電累計裝機容量 ×104 kW

2008年世界風電裝機容量繼續(xù)保持強勁增長勢頭,新增裝機為 2.6×107kW,累計裝機達到1.2×108kW。中國、歐盟、美國仍在新增市場中占據(jù) 80%左右的份額,美國新增裝機量排名第一,累計裝機量超過德國,成為世界風電第一大國,中國的風電裝機也超過 1×107kW,位居世界第四。

2008年國際能源價格的大起大落以及金融危機基本沒有影響全球風電的發(fā)展勢頭,一方面是由于風電目前在能源結(jié)構(gòu)中的比例不高,風電成本與常規(guī)能源的差距不大,發(fā)展風電的經(jīng)濟代價在金融危機的影響下仍然能夠承受；另一方面是由于世界各國仍看好風電未來的成本下降以及大規(guī)模應(yīng)用潛力。根據(jù)德意志銀行、全球風能理事會、美國美林公司等眾多機構(gòu)和企業(yè)的預計,世界風電在未來5年內(nèi)還將保持20%左右的增速。

1.2 風電單機容量

風力發(fā)電成本與風電機組容量相關(guān),一般情況下,單機容量越大則風電成本越低。風電機組的技術(shù)沿著增大單機容量、減輕單位千瓦的重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。1985年風機的主力機型容量為 55 kW,1998年德國的單機平均容量達 780 kW,全球兆瓦級機組的市場份額明顯增大,1997年以前不到 10%,2001年則超過 50%,2003年全球新增裝機平均容量達 1.2×103kW,主力機型已是兆瓦級[3]。單機容量在 2004年 ～2006年又實現(xiàn)了跳躍式發(fā)展,世界各大風機制造商紛紛推出 4×103～6×103kW的各種形式的大容量機型,并已在陸上和海上安裝使用,同時也推出了 1×104kW機型的概念。但是在進入 2008年后,風電業(yè)界越來越多的人認同的觀點是,現(xiàn)有的 1×103～3×103kW三槳葉風機的主流地位還能繼續(xù)保持至少 5～10年,并且很有可能持續(xù)更長時間,其原因是在目前的技術(shù)路線下,葉片在 30～100m的 1×103～3×103kW風機是比較合適的規(guī)模,可以獲得較大的電力輸出,而 5×103kW以上容量的風機體積龐大,葉片過長,質(zhì)量過大,在陸上應(yīng)用會出現(xiàn)一系列的運輸、安裝難題,并且在不同的風資源條件下,風機的輸出功率并不是隨單機容量的增加而成比例的增加。因此一個普遍共識是,應(yīng)用于陸上的風機,不是越大越好,風機技術(shù)發(fā)展應(yīng)更加注重于通過技術(shù)和工藝的改進和提高,尤其是關(guān)鍵零部件的技術(shù)進步,來提高風機的質(zhì)量以及長期運行可靠性,以增加風電場的輸出功率,減少運行成本。5×103kW以上的大容量風機,將主要應(yīng)用于海上。

1.3 海上風力發(fā)電

海上風電由于資源豐富、風速穩(wěn)定、開發(fā)影響相關(guān)方面較少、不與其他項目爭地和可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢,受到廣泛關(guān)注。同等裝機容量,海上風電場比陸上風電場年發(fā)電量可增加 20%～50%。海上風電有近海 （淺海）和深海兩種方式,最主要的差別之一是機組的基礎(chǔ)。深海機組的基座需要采用和近海完全不同的技術(shù)路線,即采用浮體式,尚處于概念和小容量示范階段。2007年底荷蘭 B lue H公司在意大利 Puglia的離岸 17 km、水深 108m處,安裝了一臺容量 80 kW的深海風電原型機 （雙槳葉）和平臺基座[4]。

歐盟于 2007年 3月提出了到 2020年海上風電裝機容量要達到 8×107kW。為實現(xiàn)這一目標,歐盟協(xié)調(diào)各國在研發(fā)、并網(wǎng)等方面的共同立場,主要包括[5]:（1）將海上風電技術(shù)的研發(fā)列入技術(shù)支持的優(yōu)先領(lǐng)域,給予財政支持；（2）在歐洲統(tǒng)一大電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)中,首先將對北歐的海上風電經(jīng)丹麥連接到波蘭、德國等歐洲北部電網(wǎng)進行實驗；（3）設(shè)立專門委員會,協(xié)調(diào)和解決海上風電并網(wǎng)和跨國銷售問題；（4）制定海上風電并網(wǎng)的技術(shù)標準和技術(shù)要求。2008年 9月歐盟著手研究北海國際風能網(wǎng)絡(luò)計劃,該海上網(wǎng)絡(luò)長約 6000 km,連接北海海域 100多個風電場的 1萬多臺風機,覆蓋英國、丹麥、法國、挪威、德國、比利時和荷蘭等 7個國家。丹麥將在現(xiàn)有 4×105kW海上裝機的基礎(chǔ)上,提出再建設(shè)總裝機容量為 4×105kW的 22個近海風電場的計劃,預計 2012年建成使用。英國于 2008年 9月批準了在英格蘭西北部建設(shè) 3個海上風電場的計劃,其裝機容量分別為5×105kW、3×105kW和 1×105kW。因此,在未來二三年的時間內(nèi),英國和丹麥將成為歐洲海上風電發(fā)展最重要的國家。挪威計劃從 2007年到2025年投資 440億美元開發(fā)海上風力發(fā)電。

美國于 2007年 5月宣布在麻省建設(shè)美國第一座海上風電場,裝機容量 4.2×105kW,安裝140臺 3×103kW的風機,預計 2010年建成,屆時將成為世界上最大的單體海上風電場。

日本在 2008年表示,將開發(fā)主要用于海上的5×103～7×103kW風電機組,第一步先開發(fā)近海底座式風機,第二步在 2～3年后再發(fā)展浮體式基座和相應(yīng)風機設(shè)備。

韓國將從 2009年～2015年投入 2.5萬億韓元在麗水市海岸建設(shè)世界上最大規(guī)模的海上風力發(fā)電群,總裝機容量為 6×105kW 。

中國于 2007年 11月在渤海灣安裝了一臺國產(chǎn) 1.5×103kW的海上風電機組,成功并網(wǎng)運行。上海東海大橋 1×105kW海上風電項目于 2008年開始建設(shè),預計 2010年建成。用于該項目的中國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 3×103kW海陸兩用風電機組于 2009年 3月成功下線。中國海洋石油總公司 （China National Offshore Oil Corporation,CNOOC,簡稱中國海油）已經(jīng)規(guī)劃在山東威海建設(shè) 1×105kW的近海風電場。

海上風電應(yīng)用的障礙主要是大投資和高成本,如果解決了成本問題,海上風電在未來風電市場中的份額將大大增加。

1.4 風電技術(shù)

風電技術(shù)主要包括風電機組技術(shù)和風電并網(wǎng)技術(shù)。

1.4.1 風電機組技術(shù)

隨著槳葉空氣動力學、新材料技術(shù)、先進制造技術(shù)、計算機和控制技術(shù)的發(fā)展,風機技術(shù)也日臻成熟。蓬勃發(fā)展的風電市場促進了風機制造業(yè)的發(fā)展壯大。2003年以后,隨著美國、中國風能市場的擴大,風機產(chǎn)業(yè)基地逐漸從歐洲延伸到美國和中國。

功率調(diào)節(jié)是風電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)等[3]?？刂葡到y(tǒng)通過若干傳感器及時收集風向、風速、風力等信息,經(jīng)計算機處理、調(diào)整,使風機能夠適應(yīng)風力的變化,在較佳狀態(tài)下運行。

定槳距調(diào)節(jié)于 20世紀 80年代中期進入風電市場,采用軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù),解決了風電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性和可靠性問題,但發(fā)電效率較差。

變槳距風機于 20世紀 90年代進入風電市場,機組起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制,并網(wǎng)后可對功率進行控制,使風機的起動性能和功率輸出特性都有了顯著改善。

主動失速控制是定槳距失速調(diào)節(jié)和變槳距調(diào)節(jié)方式的組合。低風速時采用變槳距調(diào)節(jié),可達到更好的氣動效率；達到額定功率后,槳距角減小,攻角增大,葉片失速效應(yīng)加大,從而降低了風輪的旋轉(zhuǎn)速度,限制風能捕獲。

變速風機于 20世紀 90年代中期進入風電市場,其特點是:低于額定風速時,能跟蹤最佳功率曲線,使風機具有最佳的風能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風速時,增加了傳動系統(tǒng)柔性,使功率輸出更穩(wěn)定。

21世紀初,效率更高的變槳變速雙饋風電機組逐漸成為主力機型。

對于 2×103kW以上的大容量機組,隨著單機容量增加,槳葉增大增長,在同一地區(qū),風資源在不同高度的分布差別大,因此,當漿葉處于高處和低處時,風力、槳葉的大小和分布都有很大的差別。智能變槳是隨著風機單擊容量增大而出現(xiàn)的技術(shù)特點之一,是控制系統(tǒng)對 3個槳葉分別單獨控制來轉(zhuǎn)換角度和方向,以更好地調(diào)整電能輸出,更有效地利用風能,但同時也對槳葉控制、系統(tǒng)可靠性提出了更高要求[4]。

1.4.2 風電并網(wǎng)技術(shù)

隨著風電場容量的增加,風電接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)的供電質(zhì)量,如電壓、諧波與閃變、頻率及穩(wěn)定性都會產(chǎn)生影響。因此,風電并網(wǎng)技術(shù)越來越受到關(guān)注和重視。德國、西班牙、丹麥、英國等國采取多項技術(shù)措施提高電網(wǎng)接納風電的能力,主要有:（1）通過軟件建設(shè),提高電網(wǎng)的調(diào)度能力和水平；（2）制定風電入網(wǎng)標準提高風電控制水平和電源輸出品質(zhì),減少對電網(wǎng)的沖擊和影響；（3）提高風電短期預測技術(shù)能力,達到提前 48 h誤差控制在 30%以內(nèi)、提前 24 h誤差控制在 15%以內(nèi)的水平；（4）鼓勵風電的分布式發(fā)展等。這些措施使電網(wǎng)接納風電的比例大大增加,如丹麥風電電力和電量已經(jīng)分別達到電網(wǎng)容量的 25%和16%,德國則達到 17%和 7%[5]。

2 中國風力發(fā)電的發(fā)展狀況

能源短缺問題已成為制約中國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸,據(jù)統(tǒng)計,中國石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的 7.7%和 1.7%,石油的可采儲備年限僅有 15年左右,而相對豐富的煤炭資源也僅能維持 80年左右。因此,開發(fā)和利用替代型能源成為中國經(jīng)濟戰(zhàn)略的重要組成部分。

中國對風電技術(shù)的研究和開發(fā)始于 20世紀50年代后期,當時在少數(shù)偏遠地區(qū)建設(shè)了獨立運行的功率在 10 kW以下的小型風電裝置[6],之后基本處于停滯狀態(tài)。70年代中期,由于世界能源危機的影響,風力發(fā)電才受到重視。但由于風電項目規(guī)模小,設(shè)備主要依靠進口,建設(shè)成本高,市場競爭力弱,發(fā)展速度仍然緩慢,到 2002年底,全國風電裝機容量僅為 4.5×105kW,最大投運機組為600 kW。

風電的發(fā)展離不開 3個重要的條件:首先是風電資源；其次是國家的鼓勵政策；第三是風機技術(shù)的成熟和成本的不斷降低。

中國風能資源豐富,在東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏和新疆等省、自治區(qū)一線,由北向南近 200 km寬的地帶,是連成一片的最大風能資源豐富區(qū),其風能資源儲量為 3.7×109kW；在山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省、（區(qū)、市）沿海一線,近海 10 km寬的地帶風能資源儲量為 2.3×108kW。中國可開發(fā)的風能資源儲量約為 3×108kW[7],具有商業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的巨大潛力。

近些年來,中國對風電的發(fā)展給予高度重視,2006年國家陸續(xù)出臺了《可再生能源法》《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》以及《可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導目錄》等一系列扶持風電發(fā)展的法律、法規(guī)和政策。同時還大力提高風電技術(shù)的自主研發(fā)和風電設(shè)備的國產(chǎn)化水平。2005年以來,通過聯(lián)合設(shè)計和技術(shù)引進,陸續(xù)推出了國產(chǎn)化率達 70%以上的風電機組。2009年,首臺2.5×103kW直驅(qū)永磁風電機組總裝下線。中國生產(chǎn)的 1.5×103kW風機已被市場廣泛接受。國產(chǎn)變速箱、發(fā)電機、電子產(chǎn)品等成熟出口產(chǎn)品開始進入國內(nèi)風電制造業(yè),為發(fā)電機組的大規(guī)模國產(chǎn)化提供了有利條件。風機技術(shù)的不斷改進與完善,使風力發(fā)電的商業(yè)價值也越來越高。

2006年以來,風力發(fā)電駛上快車道。到 2007年底,已建成風電場 152個,總裝機容量 6.03×106kW,超過丹麥成為世界第五風電大國。其中僅 2007年就新增裝機 3.36×105kW,超過了歷年總和。到 2008年底,總裝機容量超過 1×107kW,超過印度成為世界第四大風電大國。2009年前 3個季度,新增裝機容量 5.6×106kW,全年新增裝機容量將超過美國,位居全球第一。按照《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》的目標要求及風力發(fā)電現(xiàn)狀,到 2010年末,累計裝機容量預計將達到 2×107kW,到 2020年末,有望達到 1×108kW。

3 風力風電的前景展望

多年來,風電行業(yè)普遍追求的目標是:在陸地上強風地帶建立裝備水平軸、大功率、剛性槳葉風力機的大容量風電場。現(xiàn)在,風力發(fā)電已由單一化向多元化方向發(fā)展:（1）關(guān)注陸地風電利用的同時,也重視具有廣闊資源的海上風電的發(fā)展；（2）關(guān)注高風速的強風地帶的同時,也重視中低風速的弱風地帶風電的發(fā)展,既可擴大風源的利用,又能降低成本、簡化維護；（3）關(guān)注大功率風機研發(fā)的同時,也重視小型機的發(fā)展；關(guān)注傳統(tǒng)的水平軸升力式風機的同時[8],也重視新型的垂直軸阻力式風機的發(fā)展；關(guān)注傳統(tǒng)的剛性槳葉風機的同時,也重視用新型材料設(shè)計制造的柔性槳葉風機的發(fā)展[9],以增加風機的可靠性和對風能的捕獲量；（4）關(guān)注聯(lián)網(wǎng)型大容量風電場建設(shè)的同時,也重視分散型、小容量風電系統(tǒng)的發(fā)展,這對于發(fā)展中國家的雪原、海島、偏遠地區(qū)電網(wǎng)不發(fā)達這一現(xiàn)狀,具有更大的意義。上述風電發(fā)展趨勢基本上都集中于一點,即最大限度地利用風力資源,積極推進風電事業(yè)的發(fā)展。

2009年 12月的哥本哈根氣候變化會議,又把全人類的目光聚焦到低碳經(jīng)濟這一全世界經(jīng)濟發(fā)展的主要方向上來。溫家寶總理在大會的正式講話中指出:“中國是新能源和可再生能源增長速度最快的國家,鼓勵支持農(nóng)村、邊遠地區(qū)大力發(fā)展風能、太陽能……等新型可再生能源”,“到 2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 2005年下降40%～45%,在如此長時間內(nèi)這樣大規(guī)模降低二氧化碳排放,需要付出艱苦卓絕的努力”[10]。

可以相信,一個大規(guī)模開發(fā)利用風能的時代,一個利用風力風電造福于人類的時代將會到來。

[1]包耳.風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].可再生能源,2004（2）:53-55.

[2]祝賀,徐建源,張明理,等.風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題[J].華東電力,2009（2）:314-316.

[3]陳璟華,楊宜民.風力 /太陽能的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].廣東工業(yè)大學學報,2007（3）:1-4.

[4]科學技術(shù)部辦公廳,國際技術(shù)經(jīng)濟研究所.世界前沿技術(shù)發(fā)展報告 2008[M].北京:科學出版社,2009.

[5]科學技術(shù)部辦公廳,國際技術(shù)經(jīng)濟研究所.世界前沿技術(shù)發(fā)展報告 2007[M].北京:科學出版社,2008.

[6]王承煦.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[7]張翼.“風電三峽”風生水起[N].光明日報,2008-10-29（9）.

[8]包耳.風力機葉片設(shè)計的新方法[J].機械設(shè)計,2005（2）:24-26.

[9]包耳.柔性槳葉風力機理論研究[J].機械設(shè)計,2004（9）:28-30.

[10]溫家寶.凝聚共識加強合作推進應(yīng)對氣候變化歷史進程[N].光明日報,2009-12-19（2）.

（責任編輯 劉敏）

Development Status and Perspective of Wind Power Generation

BAO Er,HU Hong-ying
（College of Electromechanical＆Information Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian 116605,China）

The development Status of wind power generation is described.Reasons and conditions for the development of wind power is analyzed.That of wind power generation is from a single direction to diversify.The status of thew ind turbine technology,wind power network technology and offshore wind power are described.

wind power generation；development status；wind turbine capacity；w ind power network technology

TK89 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0024-04

2010-08- 04；

2010-10-24

包耳 （1956-）,女,上海人,副教授,主要從事機械設(shè)計、制造及工程材料研究。