全球低风速风电发展现状与展望

夏 婷，张木梓，陈 杨，申新贺，朱明亮

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.新疆金风科技股份有限公司，北京 100176；3.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引 言

在全球应对气候变化的大背景下，减少碳排放已成为各国共识。作为碳排放主要来源之一，2020年电力和热力生产过程产生了全球接近40%的碳排放[1]，发展可再生能源、提高清洁电力供应比例，已经成为实现碳中和的有效手段。风电作为可再生能源的重要利用形式，近年来全球范围内的装机容量稳步快速增长。据国际能源署(IEA)统计[1]，全球风电装机占电力总装机比例已从2010年的3.5%增加到2020年的接近10%，到2030年，预计这一比例将稳步增加至14.4%。

影响风电项目开发的核心因素是风资源丰富程度，同时项目所在地的电价政策、电网消纳能力、产业链成熟度、物流运输等因素也与风电项目开发有着紧密的联系。风电发展初期，政府通常通过制定实施电价补贴激励措施保障项目的投资收益，鼓励风电产业发展。同时，考虑到资源因素，风电开发主要集中在风资源较好的区域，低风速风电的开发容量占比较少。随着风电技术的不断进步，低风速区域风电开发的经济性不断提高，使得低风速区域风电开发成为可能。同时，高风速开发区域饱和、电价去补贴实现平价，以及低风速区域更靠近负荷侧等原因，使得风电开发的重心开始向中低风速区域转移。

若能充分挖掘低风速区域风电开发潜力，将大大拓展风电发展空间。以东盟国家为例，由于地处赤道附近，东盟国家风能资源相对一般，只有1.5%的土地面积的平均风速超过7 m/s。而东盟大部分国家对风电开发的政策概念还停留在需要7 m/s以上，导致东盟国家风电发展缓慢。截至2020年年底，东盟国家风电装机仅为2.7 GW，不到电力总装机的1%[2]，远远低于全球10%的平均水平。若考虑5～7 m/s的低风速区域的风能资源，东盟风电技术可开发量可达1 112.3 GW[3]，推动低风速区域的风能资源开发将成为东盟国家突破风电发展瓶颈的关键。

为了更好地指导全球低风速风电开发，本文在总结全球风电发展现状的基础上，重点梳理了低风速风电发展的现状与趋势，分析了低风速风电发展的关键问题，为充分挖掘低风速区域风电开发潜力、拓展风电开发区域范围提供参考。

1 全球风电发展概述

虽然新冠疫情造成全球经济衰退、能源电力需求下降，但在碳中和背景下，风电仍然保持逆势增长趋势。根据全球风能理事会(GWEC)统计，2020年全球新增风电装机容量超过90 GW，同比增长52%，新增装机量创历年新高；截至2020年年底，全球风电累计装机容量达到743 GW[4]，比2019年增长14%(见图1)；其中陆上风电装机707 GW，占风电总装机的95%。2020年全球风电新增装机的快速增长主要归功于中国和美国在政策改变之前的抢装以及欧洲市场的增长，另外非洲、南美、中东和东南亚表现也比较突出。

图1 全球风电逐年新增装机量和累计装机量

从区域分布上来看，2020年全球风电新增装机主要分布在亚洲、北美洲、欧洲和南美洲，排在前五名的国家分别为中国(52.0 GW)、美国(16.2 GW)、巴西(2.3 GW)、德国(1.7 GW)、荷兰(1.5 GW)，这5个国家风电新增装机合计占全球风电新增总装机的近80%，而中国风电新增装机占全球的一半以上[4]。

2 低风速风电发展现状与趋势

2.1 全球低风速风电发展现状

由于低风速区域风速较低，通常需要采用单位千瓦扫风面积较大的风电机组来捕获更多的风能。结合伍德麦肯兹(Wood Mackenzie Power & Renewables)的数据按机组选型统计全球低风速风电开发情况，将所用的机组单位千瓦扫风面积达到5 m2/kW及以上的项目称为低风速风电开发项目。在有风电机组信息的全球历年新增风电项目中，低风速风电(选型为低风速机组的项目)占比情况如图2所示，截至2019年年底的全球低风速风电装机区域结构如图3所示。

图2 2015年～2019年全球新增装机中低风速机组占比变化情况

图3 2015年～2019年全球新增低风速风电装机区域统计

由图2可知，在纳入统计的全球历年新增风电装机中，低风速风电占比从2015年的6.7%增加到2019年的37.3%。分区域来看，中国低风速风电发展速度领跑全球，低风速风电占新增风电装机比例由2015年的16.7%增加到2019年的84.0%。2015年～2019年间，中国低风速装机累计超过40 GW，占全球总数的72%。美国和印度装机容量分别超过6 GW和5 GW，其余区域的低风速风电的开发容量较小。

2.2 中国低风速风电发展现状

从风能资源分布情况来看，中国的华中、华东和华南地区大多数处于低风速区域，可利用的低风速资源面积约占全国风能资源区的68%，且接近电网负荷中心，主要集中在福建、广东、广西、安徽、湖南、湖北、江西、四川和云贵地区。“十二五”期间，中国风电建设主要集中在风速较高的“三北”(东北、华北、西北)地区[5]。经历高速增长后，这些地区由于远离负荷中心，缺乏足够的长距离输电通道及消纳保障机制，产生了严重的弃风限电问题[6]，风电新增装机也受到较大影响，中国风电开发逐步从传统的“三北”高风速区域向内陆中东南部低风速区域转移[7]。中国政府开始从政策层面出台分区域的上网电价等政策激励中东南部的风电投资。与此同时，大叶轮、高塔筒、智能控制技术等先进技术不断提高风资源利用率，风电场前期测风选址到设计、建设、运维等全生命周期的精细化管理促进降本增效，进一步为低风速风电的发展奠定了基础。

在多重利好的刺激下，中国低风速发展势头良好。2020年，华中、华东和华南等低风速资源分布区新增风电装机28.2 GW，占全国新增装机的39.4%。截至2020年年底，华中、华东和华南的风电装机总量达到91.3 GW，低风速区域风电装机占全国风电总装机比例从2010年的12.8%增加至2020年的32.4%(见图4)。根据伍德麦肯兹(Wood Mackenzie Power & Renewables)的数据，2015年～2019年有机组信息的新增风电项目中，接近一半的风电项目采用的是低风速机组，低风速项目装机量达到33.1 GW，其中43%的低风速项目来自华中、华东和华南地区。

图4 历年中国不同区域风电装机占比及风电总装机情况

2.3 低风速风电发展趋势展望

随着全球能源转型进程的推进，特别是各国纷纷明确碳中和目标和路线图的背景下，开发低风速风电将是全球风电发展的重点方向之一，并成为低风速区域国家实现可再生能源发展目标的重要补充力量。根据Wood Mackenzie Power &Renewables预测，在未来5年，全球低风速风区的开发占比将继续保持稳中有升的发展趋势。到2026年，除中国以外的全球范围内低风速风电占新增风电装机比例将达到28%；而作为全球风电装机最大的国家，中国低风速风电占新增风电装机比例将达到95%。

为了适应未来低风速风电的开发，各个风电主机厂商的产品向着单机大容量方向发展，作为核心技术的叶片产业链也在配合单机大容量的发展趋势不断加长。根据Wood Mackenzie Power & Renewables预测，2021年～2026年，单机容量4 MW及以上的风机机组将成为市场主力，同时机组叶片长度也将随之增加，70 m及以上的叶片将成为市场主流产品。

3 低风速风电发展关键问题分析

3.1 技术特点

受限于资源条件，低风速区域一般年风速水平较低、风能量密度较低；在一些地形地貌复杂的内陆区域湍流变化较大，在平原地区的风切变通常较大。因此，与常规风力发电项目相比，低风速发电的风电机组设计有一些明显的特点[8-9]。

风电机组叶片设计方面，需在叶片性能和叶片长度方面进行改进，增加叶片长度，以捕获更多的风能，提高运行效率。基础设计方面，由于风速较小，载荷方面要求相对较低，可以考虑针对项目的定制化塔架和基础的设计，实现减重并降低成本。在塔架设计方面，由于低风速区域风速较低，受地表粗糙度影响往往垂直方向风速切变较高风速区域大，对于高切变的项目可以通过选择高塔架来提高风能利用量，也可以针对项目做定制化减重设计。在风机控制策略方面，由于风速低的项目较风速高的项目更容易产生大的湍流，对于其中湍流较大的区域，可以考虑通过风向扇区管理的方式来规避湍流的不良影响。

此外，针对东盟等区域特殊的气候特点，风电机组的选型还需要在适应当地气候、应对灾害天气方面进行针对性设计。如针对高温高湿环境，需要在环控配置方面采取措施，例如添加除湿机、提高机组防腐等级等。降雨较多的区域，可能存在较为频繁的雷暴袭击，需要添加雷电监测设备。对于沿海有热带气旋影响的项目，需要进行相关极限风速的评估选择合适的机型，同时增加备用电源装置和台风预警机制等。

3.2 开发模式

低风速风电项目通常靠近负荷区，人口相对密集，地形多样、风况复杂，需要根据实际的自然条件选择多元化的开发模式。

(1)分散式开发模式。分散式风电具有风电机组零星分散布置、就近接入配电网、就近消纳、节约利用土地、对生态环境影响小的特点，是集中式风电开发很好的补充。结合城乡建设、生态旅游开发等不同多元化的需求，分散式风电开发还可以与电厂、工业园区、码头港口、美丽乡村、特色小镇等相结合，进行综合开发利用，满足用电需要的同时，实现节约集约用地，优化美化生态环境。

(2)社区风电。社区风电是近分布式风电的一种应用形式，在丹麦、德国等国家，除了政策推动分布式风电发展外，风电与社区、居民形成了非常紧密的利益共同体关系。社区居民通过联合购买风场的股份，保证了社区可以受益于风力发电的投资，也显著提升了公众对于风电的接受度。丹麦和德国等欧洲发达国家在社区风电方面均有较多的实践经验。

(3)智能微网。由于低风速资源分布较为广泛，风资源的开发利用对当地情况具有较强的适应性，能够产生良好的经济效益，低风速风电有望成为智能微网的重要组成部分之一。在一些智能微网的应用案例中，如菲律宾Dinagat岛用于支持当地采矿业的独立供电系统、越南Sta. Ana项目的小型岛屿电力系统，风电均发挥了较为重要的作用。

3.3 环境影响解决方案

在风电场建设及运行过程中，可能会造成噪声、伤害飞行动物、视觉污染等生态环境问题，特别是更靠近负荷中心的低风速风电场，更加需要采取一定的技术手段减少这些生态环境问题的不良影响。

(1)噪声。噪声问题是低风速风电开发面临的普遍性问题，需要从优化机位选址和排布、优化机组设计、优化运行模式等方面减少噪声的产生，降低低风速风电项目的噪声水平。

(2)对飞行动物的影响。为了减少风电机组对鸟类、蝙蝠等飞行动物的影响，低风速风电项目需通过合理选址避开鸟类等的迁徙路线、栖息地及保护区，在鸟类飞行的高峰时段，暂时停止或放慢风电机组的运行。同时通过声波驱逐设备、特殊的机组外观设计等避免飞行动物碰撞风机。

(3)视觉影响。风电叶片旋转投射的阴影、造成的光反射等可能会使人产生眩晕、心烦意乱等症状，影响正常的工作和生活。可通过调整风电机组的尺寸或位置、涂色、优化运行时段等最大程度减少潜在影响。

4 结 语

风电作为可再生能源的重要利用形式，在实现碳中和的过程中发挥重要作用。截至2020年年底，全球风电累计装机容量达到743 GW，比2019年增长14%，新增装机量创历史新高，在新冠疫情造成全球能源需求下降的情况下仍保持逆势增长趋势。

随着全球风电开发的推进，风资源较好的地区风电开发逐渐饱和，充分挖掘低风速区域风电开发潜力成为突破风电发展瓶颈的关键。在风电技术进步推动下，低风速风电开发经济性不断提高，低风速风电迎来新的发展契机。据不完全统计，全球历年新增风电装机中低风速风电占比从2015年的6.7%增加到2019年的37.3%。2015年～2019年间，中国低风速风电累计装机超过40 GW，占全球总数的72%。从中国国内的统计数据来看，2020年，华中、华东和华南等低风速资源分布区新增风电装机28.2 GW，占全国新增装机的39.4%。截至2020年年底，低风速资源分布区的风电装机总量达到91.3 GW，低风速区域风电装机占全国风电总装机比例从2010年的12.8%增加至2020年的32.4%。在全球应对气候变化和碳中和的背景下，未来低风速风电将继续保持稳定增长趋势，成为各国实现能源转型目标的重要补充力量。

由于风能量密度较低、靠近负荷区等特点，低风速风电需在机组叶片、基础、塔筒等方面进行特定的设计，通过长叶片、定制化塔架和基础、高塔筒等设计提高风电机组的发电效率和降低成本，可根据实际的自然条件选择分散式开发、社区风电、智能微网等多元化开发模式，还需要采取一定的技术手段减少噪声、伤害飞行动物、视觉污染等生态环境影响。