風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望包 耳,胡紅英風(fēng)是清潔的可再生能源,地球上風(fēng)能資源極其豐富,據(jù)專家估計,全世界風(fēng)能資源總量為全年2 1012kW,即1%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對12能源的需求。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r19世紀(jì)末丹麥人研制出世界上第一臺風(fēng)力發(fā)電機組,建成了世界上第一座風(fēng)力發(fā)電站,隨后多個國家相繼研制了類型各異的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。但由于當(dāng)時風(fēng)機技術(shù)較為落后、風(fēng)電成本昂貴、人類對于能源和環(huán)境存在的潛在危機認(rèn)識不足等原因,風(fēng)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(fēng)能技術(shù)的發(fā)展處于停滯。戰(zhàn)后,到20世紀(jì)60年代,廉價石油的大量使用又使得包括風(fēng)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(fēng)電技術(shù)和國家政策等方面都有了長足進步[1-3]。1.1風(fēng)電裝機容量近20年風(fēng)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(fēng)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(fēng)電發(fā)展較快,近10來風(fēng)電裝機容量一直保持領(lǐng)先地位。2008年世界風(fēng)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 10kW。中國、歐盟、美國仍在新增市場中8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(fēng)電第一大國,中國的風(fēng)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(fēng)電的發(fā)展勢頭,一方面是由于風(fēng)電目前在能源結(jié)構(gòu)中的比例不高,風(fēng)電成本與常規(guī)能源的差距不大,發(fā)展風(fēng)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(fēng)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(fēng)能理事會、美國美林公司等眾多機構(gòu)和企業(yè)的預(yù)計,世界風(fēng)電在未來5年內(nèi)還將保持20%左右的增速。1.2風(fēng)電單機容量風(fēng)力發(fā)電成本與風(fēng)電機組容量相關(guān),一般情況下,單機容量越大則風(fēng)電成本越低。風(fēng)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(fēng)機的主力機型容量為55kW,1998年德國的單機平均容量達780kW,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(fēng)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1104kW機型的概念。但是在進入20084年后,風(fēng)電業(yè)界越來越多的人認(rèn)同的觀點是,現(xiàn)有的1 103~3103kW三槳葉風(fēng)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(fēng)機是比較合適的規(guī)模,可以獲得較大的電力輸出,而5103kW以上容量的風(fēng)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(fēng)資源條件下,風(fēng)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(fēng)機,不是越大越好,風(fēng)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(fēng)機的質(zhì)量以及長期運行可靠性,以增加風(fēng)電場的輸出功率,減少運行成本。5 103kW以上的大容量風(fēng)機,將主要應(yīng)用于海上。1.3海上風(fēng)力發(fā)電海上風(fēng)電由于資源豐富、風(fēng)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(fēng)電場比陸上風(fēng)電場年發(fā)電量可增加20%?50%。海上風(fēng)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BlueH公司在意大利Puglia的離岸17km、水深108m處，安裝了一臺容量80kW的深海風(fēng)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(fēng)電裝機容量要達到8 107kW。為實現(xiàn)這一目標(biāo).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(fēng)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(fēng)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(fēng)電并網(wǎng)和跨國銷售問題;(4)制定海上風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。2008年9月歐盟著手研究北海國際風(fēng)能網(wǎng)絡(luò)計劃,該海上網(wǎng)絡(luò)長約6000km,連接北海海域100多個風(fēng)電場的1萬多臺風(fēng)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5的基礎(chǔ)上,提出再建設(shè)總裝機容量為4 105kW5的22個近海風(fēng)電場的計劃,預(yù)計2012年建成使用。英國于2008年9月批準(zhǔn)了在英格蘭西北部建設(shè)3個海上風(fēng)電場的計劃,其裝機容量分別為5 10kW、3 10kW和1 10kW。因此，在未5 5 5來二三年的時間內(nèi),英國和丹麥將成為歐洲海上風(fēng)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(fēng)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(fēng)電場,裝機容量4.2 105kW,安裝5140臺3 103kW的風(fēng)機,預(yù)計2010年建成,屆時將成為世界上最大的單體海上風(fēng)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(fēng)電機組,第一步先開發(fā)近海底座式風(fēng)機,第二步在2~3年后再發(fā)展浮體式基座和相應(yīng)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電群,總裝機容量為6 105kW。5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(fēng)電機組,成功并網(wǎng)運行。上海東海大橋1 105kW海上風(fēng)電項目于2008第1期包耳,等:風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望25年開始建設(shè),預(yù)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3103kW海陸兩用風(fēng)電機組于2009年3月成功下線。中國海洋石油總公司(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,CNOOC,簡稱中國海油)已經(jīng)規(guī)劃在山東威海建設(shè)110kW的近海風(fēng)電場。5海上風(fēng)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(fēng)電在未來風(fēng)電市場中的份額將大大增加。1.4風(fēng)電技術(shù)風(fēng)電技術(shù)主要包括風(fēng)電機組技術(shù)和風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)。1.4.1風(fēng)電機組技術(shù)隨著槳葉空氣動力學(xué)、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(fēng)機技術(shù)也日臻成熟。蓬勃發(fā)展的風(fēng)電市場促進了風(fēng)機制造業(yè)的發(fā)展壯大。2003年以后,隨著美國、中國風(fēng)能市場的擴大,風(fēng)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(fēng)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]。控制系統(tǒng)通過若干傳感器及時收集風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)力等信息,經(jīng)計算機處理、調(diào)整,使風(fēng)機能夠適應(yīng)風(fēng)力的變化,在較佳狀態(tài)下運行。定槳距調(diào)節(jié)于20世紀(jì)80年代中期進入風(fēng)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(fēng)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(fēng)機于20世紀(jì)90年代進入風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度,限制風(fēng)能捕獲。變速風(fēng)機于20世紀(jì)90年代中期進入風(fēng)電市場,其特點是:低于額定風(fēng)速時,能跟蹤最佳功率曲線,使風(fēng)機具有最佳的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率;高于額定風(fēng)速時,增加了傳動系統(tǒng)柔性,使功率輸出更穩(wěn)21世紀(jì)初,效率更高的變槳變速雙饋風(fēng)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(fēng)資源在不同高度的分布差別大,因此,當(dāng)漿葉處于高處和低處時,風(fēng)力、槳葉的大小和分布都有很大的差別。智能變槳是隨著風(fēng)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(fēng)能,但同時也對槳葉控制、系統(tǒng)可靠性提出了更高要求[4]。[4]1.4.2風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)隨著風(fēng)電場容量的增加,風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)提高風(fēng)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(fēng)電短期預(yù)測技術(shù)能力.達到提前48h誤差控制在30%以內(nèi)、提前24h誤差控制在15%以內(nèi)的水平;(4)鼓勵風(fēng)電的分布式發(fā)展等。這些措施使電網(wǎng)接納風(fēng)電的比例大大增加,如丹麥風(fēng)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]。[5]2中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r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(fēng)電技術(shù)的研究和開發(fā)始于20世紀(jì)50年代后期,當(dāng)時在少數(shù)偏遠地區(qū)建設(shè)了獨立運行的功率在10kW以下的小型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電才受到重視。但由于風(fēng)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(fēng)電裝機容量僅為4.5 105kW,最大投運機組5為600kW。風(fēng)電的發(fā)展離不開3個重要的條件:首先是風(fēng)電資源;其次是國家的鼓勵政策;第三是風(fēng)機技26民族學(xué)院學(xué) 報26民族學(xué)院學(xué) 報第13卷術(shù)的成熟和成本的不斷降低。中國風(fēng)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200km寬的地帶,是連成一片的最大風(fēng)能資源豐富區(qū),其風(fēng)能資源儲量為3.7109kW;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10km寬的地帶風(fēng)能資源儲量為2.3 108kW。中國可開發(fā)的風(fēng)能資源儲8量約為3 108kW[7],具有商業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的巨大潛力。近些年來,中國對風(fēng)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?jǐn)偣芾碓囆修k法以及可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄等一系列扶持風(fēng)電發(fā)展的法律、法規(guī)和政策。同時還大力提高風(fēng)電技術(shù)的自主研發(fā)和風(fēng)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(fēng)電機組。2009年,首臺2.5103kW直驅(qū)永磁風(fēng)電機組總裝下線。中國生產(chǎn)的1.5 103kW風(fēng)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(fēng)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(fēng)機技術(shù)的不斷改進與完善,使風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)價值也越來越高。2006年以來,風(fēng)力發(fā)電駛上快車道。到2007年底,已建成風(fēng)電場152個,總裝機容量6.03106kW,超過丹麥成為世界第五風(fēng)電大國。其中6僅2007年就新增裝機3.36 105kW,超過了歷年5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(fēng)電大國。2009年前3個季度,新增裝機容量5.6 106kW,全年新增裝6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(biāo)要求及風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀,到2010年末,累計裝機容量預(yù)計將達到210kW,到2020年末,有望達到1 10kW。783風(fēng)力風(fēng)電的前景展望多年來,風(fēng)電行業(yè)普遍追求的目標(biāo)是:在陸地上強風(fēng)地帶建立裝備水平軸、大功率、剛性槳葉風(fēng)力機的大容量風(fēng)電場?，F(xiàn)在,風(fēng)力發(fā)電已由單一化向多元化