风力发电的发展状况与展望

包 耳,胡红英

（大连民族学院机电信息工程学院,辽宁 大连 116605）

风力发电的发展状况与展望

包 耳,胡红英

（大连民族学院机电信息工程学院,辽宁 大连 116605）

阐述了风力发电的发展状况,分析了风力发电迅速发展的原因和条件,指出风力发电已由单一化向多元化方向发展。简述了风力机技术、风电并网技术、海上风力发电的现状。

风力发电；发展状况；风机容量；并网技术

风是清洁的可再生能源,地球上风能资源极其丰富,据专家估计,全世界风能资源总量为全年2×1012kW,即 1%的地面风力就能满足全世界对能源的需求。由于风力发电技术的不断发展,风力发电已成为新能源技术中最成熟、最具开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

1 世界风力发电的发展状况

19世纪末丹麦人研制出世界上第一台风力发电机组,建成了世界上第一座风力发电站,随后多个国家相继研制了类型各异的风力发电设备。但由于当时风机技术较为落后、风电成本昂贵、人类对于能源和环境存在的潜在危机认识不足等原因,风力发电的发展速度缓慢。第二次世界大战爆发,使世界风能技术的发展处于停滞。战后,到20世纪 60年代,廉价石油的大量使用又使得包括风能在内的所有可再生能源都不受重视。1973年爆发的世界石油危机,使各国政府对新能源和可再生能源的利用给予高度重视。于是风电技术和国家政策等方面都有了长足进步[1-3]。

1.1 风电装机容量

近 20年风电装机容量增速显著 （见表 1）,平均年增长率超过 30%[4]。全球风力发电量占总发电量的比例从 1996年的 0.1%增加到 2008年的 0.8%以上,其中德国、美国和西班牙风电发展较快,近 10来风电装机容量一直保持领先地位。

表1 世界风电累计装机容量 ×104 kW

2008年世界风电装机容量继续保持强劲增长势头,新增装机为 2.6×107kW,累计装机达到1.2×108kW。中国、欧盟、美国仍在新增市场中占据 80%左右的份额,美国新增装机量排名第一,累计装机量超过德国,成为世界风电第一大国,中国的风电装机也超过 1×107kW,位居世界第四。

2008年国际能源价格的大起大落以及金融危机基本没有影响全球风电的发展势头,一方面是由于风电目前在能源结构中的比例不高,风电成本与常规能源的差距不大,发展风电的经济代价在金融危机的影响下仍然能够承受；另一方面是由于世界各国仍看好风电未来的成本下降以及大规模应用潜力。根据德意志银行、全球风能理事会、美国美林公司等众多机构和企业的预计,世界风电在未来5年内还将保持20%左右的增速。

1.2 风电单机容量

风力发电成本与风电机组容量相关,一般情况下,单机容量越大则风电成本越低。风电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦的重量、提高转换效率的方向发展。1985年风机的主力机型容量为 55 kW,1998年德国的单机平均容量达 780 kW,全球兆瓦级机组的市场份额明显增大,1997年以前不到 10%,2001年则超过 50%,2003年全球新增装机平均容量达 1.2×103kW,主力机型已是兆瓦级[3]。单机容量在 2004年 ～2006年又实现了跳跃式发展,世界各大风机制造商纷纷推出 4×103～6×103kW的各种形式的大容量机型,并已在陆上和海上安装使用,同时也推出了 1×104kW机型的概念。但是在进入 2008年后,风电业界越来越多的人认同的观点是,现有的 1×103～3×103kW三桨叶风机的主流地位还能继续保持至少 5～10年,并且很有可能持续更长时间,其原因是在目前的技术路线下,叶片在 30～100m的 1×103～3×103kW风机是比较合适的规模,可以获得较大的电力输出,而 5×103kW以上容量的风机体积庞大,叶片过长,质量过大,在陆上应用会出现一系列的运输、安装难题,并且在不同的风资源条件下,风机的输出功率并不是随单机容量的增加而成比例的增加。因此一个普遍共识是,应用于陆上的风机,不是越大越好,风机技术发展应更加注重于通过技术和工艺的改进和提高,尤其是关键零部件的技术进步,来提高风机的质量以及长期运行可靠性,以增加风电场的输出功率,减少运行成本。5×103kW以上的大容量风机,将主要应用于海上。

1.3 海上风力发电

海上风电由于资源丰富、风速稳定、开发影响相关方面较少、不与其他项目争地和可以大规模开发等优势,受到广泛关注。同等装机容量,海上风电场比陆上风电场年发电量可增加 20%～50%。海上风电有近海 （浅海）和深海两种方式,最主要的差别之一是机组的基础。深海机组的基座需要采用和近海完全不同的技术路线,即采用浮体式,尚处于概念和小容量示范阶段。2007年底荷兰 B lue H公司在意大利 Puglia的离岸 17 km、水深 108m处,安装了一台容量 80 kW的深海风电原型机 （双桨叶）和平台基座[4]。

欧盟于 2007年 3月提出了到 2020年海上风电装机容量要达到 8×107kW。为实现这一目标,欧盟协调各国在研发、并网等方面的共同立场,主要包括[5]:（1）将海上风电技术的研发列入技术支持的优先领域,给予财政支持；（2）在欧洲统一大电网的规划和建设中,首先将对北欧的海上风电经丹麦连接到波兰、德国等欧洲北部电网进行实验；（3）设立专门委员会,协调和解决海上风电并网和跨国销售问题；（4）制定海上风电并网的技术标准和技术要求。2008年 9月欧盟着手研究北海国际风能网络计划,该海上网络长约 6000 km,连接北海海域 100多个风电场的 1万多台风机,覆盖英国、丹麦、法国、挪威、德国、比利时和荷兰等 7个国家。丹麦将在现有 4×105kW海上装机的基础上,提出再建设总装机容量为 4×105kW的 22个近海风电场的计划,预计 2012年建成使用。英国于 2008年 9月批准了在英格兰西北部建设 3个海上风电场的计划,其装机容量分别为5×105kW、3×105kW和 1×105kW。因此,在未来二三年的时间内,英国和丹麦将成为欧洲海上风电发展最重要的国家。挪威计划从 2007年到2025年投资 440亿美元开发海上风力发电。

美国于 2007年 5月宣布在麻省建设美国第一座海上风电场,装机容量 4.2×105kW,安装140台 3×103kW的风机,预计 2010年建成,届时将成为世界上最大的单体海上风电场。

日本在 2008年表示,将开发主要用于海上的5×103～7×103kW风电机组,第一步先开发近海底座式风机,第二步在 2～3年后再发展浮体式基座和相应风机设备。

韩国将从 2009年～2015年投入 2.5万亿韩元在丽水市海岸建设世界上最大规模的海上风力发电群,总装机容量为 6×105kW 。

中国于 2007年 11月在渤海湾安装了一台国产 1.5×103kW的海上风电机组,成功并网运行。上海东海大桥 1×105kW海上风电项目于 2008年开始建设,预计 2010年建成。用于该项目的中国首台具有自主知识产权的 3×103kW海陆两用风电机组于 2009年 3月成功下线。中国海洋石油总公司 （China National Offshore Oil Corporation,CNOOC,简称中国海油）已经规划在山东威海建设 1×105kW的近海风电场。

海上风电应用的障碍主要是大投资和高成本,如果解决了成本问题,海上风电在未来风电市场中的份额将大大增加。

1.4 风电技术

风电技术主要包括风电机组技术和风电并网技术。

1.4.1 风电机组技术

随着桨叶空气动力学、新材料技术、先进制造技术、计算机和控制技术的发展,风机技术也日臻成熟。蓬勃发展的风电市场促进了风机制造业的发展壮大。2003年以后,随着美国、中国风能市场的扩大,风机产业基地逐渐从欧洲延伸到美国和中国。

功率调节是风电机组的关键技术之一。传统的功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节和变速调节等[3]。控制系统通过若干传感器及时收集风向、风速、风力等信息,经计算机处理、调整,使风机能够适应风力的变化,在较佳状态下运行。

定桨距调节于 20世纪 80年代中期进入风电市场,采用软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术,解决了风电机组的并网问题和运行的安全性和可靠性问题,但发电效率较差。

变桨距风机于 20世纪 90年代进入风电市场,机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风机的起动性能和功率输出特性都有了显著改善。

主动失速控制是定桨距失速调节和变桨距调节方式的组合。低风速时采用变桨距调节,可达到更好的气动效率；达到额定功率后,桨距角减小,攻角增大,叶片失速效应加大,从而降低了风轮的旋转速度,限制风能捕获。

变速风机于 20世纪 90年代中期进入风电市场,其特点是:低于额定风速时,能跟踪最佳功率曲线,使风机具有最佳的风能转换效率；高于额定风速时,增加了传动系统柔性,使功率输出更稳定。

21世纪初,效率更高的变桨变速双馈风电机组逐渐成为主力机型。

对于 2×103kW以上的大容量机组,随着单机容量增加,桨叶增大增长,在同一地区,风资源在不同高度的分布差别大,因此,当浆叶处于高处和低处时,风力、桨叶的大小和分布都有很大的差别。智能变桨是随着风机单击容量增大而出现的技术特点之一,是控制系统对 3个桨叶分别单独控制来转换角度和方向,以更好地调整电能输出,更有效地利用风能,但同时也对桨叶控制、系统可靠性提出了更高要求[4]。

1.4.2 风电并网技术

随着风电场容量的增加,风电接入电网后对电网的供电质量,如电压、谐波与闪变、频率及稳定性都会产生影响。因此,风电并网技术越来越受到关注和重视。德国、西班牙、丹麦、英国等国采取多项技术措施提高电网接纳风电的能力,主要有:（1）通过软件建设,提高电网的调度能力和水平；（2）制定风电入网标准提高风电控制水平和电源输出品质,减少对电网的冲击和影响；（3）提高风电短期预测技术能力,达到提前 48 h误差控制在 30%以内、提前 24 h误差控制在 15%以内的水平；（4）鼓励风电的分布式发展等。这些措施使电网接纳风电的比例大大增加,如丹麦风电电力和电量已经分别达到电网容量的 25%和16%,德国则达到 17%和 7%[5]。

2 中国风力发电的发展状况

能源短缺问题已成为制约中国经济发展的瓶颈,据统计,中国石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的 7.7%和 1.7%,石油的可采储备年限仅有 15年左右,而相对丰富的煤炭资源也仅能维持 80年左右。因此,开发和利用替代型能源成为中国经济战略的重要组成部分。

中国对风电技术的研究和开发始于 20世纪50年代后期,当时在少数偏远地区建设了独立运行的功率在 10 kW以下的小型风电装置[6],之后基本处于停滞状态。70年代中期,由于世界能源危机的影响,风力发电才受到重视。但由于风电项目规模小,设备主要依靠进口,建设成本高,市场竞争力弱,发展速度仍然缓慢,到 2002年底,全国风电装机容量仅为 4.5×105kW,最大投运机组为600 kW。

风电的发展离不开 3个重要的条件:首先是风电资源；其次是国家的鼓励政策；第三是风机技术的成熟和成本的不断降低。

中国风能资源丰富,在东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省、自治区一线,由北向南近 200 km宽的地带,是连成一片的最大风能资源丰富区,其风能资源储量为 3.7×109kW；在山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省、（区、市）沿海一线,近海 10 km宽的地带风能资源储量为 2.3×108kW。中国可开发的风能资源储量约为 3×108kW[7],具有商业化、规模化发展的巨大潜力。

近些年来,中国对风电的发展给予高度重视,2006年国家陆续出台了《可再生能源法》《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》以及《可再生能源产业发展指导目录》等一系列扶持风电发展的法律、法规和政策。同时还大力提高风电技术的自主研发和风电设备的国产化水平。2005年以来,通过联合设计和技术引进,陆续推出了国产化率达 70%以上的风电机组。2009年,首台2.5×103kW直驱永磁风电机组总装下线。中国生产的 1.5×103kW风机已被市场广泛接受。国产变速箱、发电机、电子产品等成熟出口产品开始进入国内风电制造业,为发电机组的大规模国产化提供了有利条件。风机技术的不断改进与完善,使风力发电的商业价值也越来越高。

2006年以来,风力发电驶上快车道。到 2007年底,已建成风电场 152个,总装机容量 6.03×106kW,超过丹麦成为世界第五风电大国。其中仅 2007年就新增装机 3.36×105kW,超过了历年总和。到 2008年底,总装机容量超过 1×107kW,超过印度成为世界第四大风电大国。2009年前 3个季度,新增装机容量 5.6×106kW,全年新增装机容量将超过美国,位居全球第一。按照《可再生能源中长期发展规划》的目标要求及风力发电现状,到 2010年末,累计装机容量预计将达到 2×107kW,到 2020年末,有望达到 1×108kW。

3 风力风电的前景展望

多年来,风电行业普遍追求的目标是:在陆地上强风地带建立装备水平轴、大功率、刚性桨叶风力机的大容量风电场。现在,风力发电已由单一化向多元化方向发展:（1）关注陆地风电利用的同时,也重视具有广阔资源的海上风电的发展；（2）关注高风速的强风地带的同时,也重视中低风速的弱风地带风电的发展,既可扩大风源的利用,又能降低成本、简化维护；（3）关注大功率风机研发的同时,也重视小型机的发展；关注传统的水平轴升力式风机的同时[8],也重视新型的垂直轴阻力式风机的发展；关注传统的刚性桨叶风机的同时,也重视用新型材料设计制造的柔性桨叶风机的发展[9],以增加风机的可靠性和对风能的捕获量；（4）关注联网型大容量风电场建设的同时,也重视分散型、小容量风电系统的发展,这对于发展中国家的雪原、海岛、偏远地区电网不发达这一现状,具有更大的意义。上述风电发展趋势基本上都集中于一点,即最大限度地利用风力资源,积极推进风电事业的发展。

2009年 12月的哥本哈根气候变化会议,又把全人类的目光聚焦到低碳经济这一全世界经济发展的主要方向上来。温家宝总理在大会的正式讲话中指出:“中国是新能源和可再生能源增长速度最快的国家,鼓励支持农村、边远地区大力发展风能、太阳能……等新型可再生能源”,“到 2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005年下降40%～45%,在如此长时间内这样大规模降低二氧化碳排放,需要付出艰苦卓绝的努力”[10]。

可以相信,一个大规模开发利用风能的时代,一个利用风力风电造福于人类的时代将会到来。

[1]包耳.风力发电技术的发展现状 [J].可再生能源,2004（2）:53-55.

[2]祝贺,徐建源,张明理,等.风力发电技术发展现状及关键问题[J].华东电力,2009（2）:314-316.

[3]陈璟华,杨宜民.风力 /太阳能的发展现状及展望[J].广东工业大学学报,2007（3）:1-4.

[4]科学技术部办公厅,国际技术经济研究所.世界前沿技术发展报告 2008[M].北京:科学出版社,2009.

[5]科学技术部办公厅,国际技术经济研究所.世界前沿技术发展报告 2007[M].北京:科学出版社,2008.

[6]王承煦.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[7]张翼.“风电三峡”风生水起[N].光明日报,2008-10-29（9）.

[8]包耳.风力机叶片设计的新方法[J].机械设计,2005（2）:24-26.

[9]包耳.柔性桨叶风力机理论研究[J].机械设计,2004（9）:28-30.

[10]温家宝.凝聚共识加强合作推进应对气候变化历史进程[N].光明日报,2009-12-19（2）.

（责任编辑 刘敏）

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">文献标志码:A

A

1009-315X（2011）01-0024-04

2010-08- 04；

2010-10-24

包耳 （1956-）,女,上海人,副教授,主要从事机械设计、制造及工程材料研究。