风力发电的发展状况与展望

风力发电的发展状况与展望包�耳,胡红英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。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55kW,1998年德国的单机平均容量达780kW,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BlueH公司在意大利Puglia的离岸17km、水深108m处,安装了一台容量80kW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6000km,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第1期包耳,等:风力发电的发展状况与展望25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(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,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48h误差控制在30%以内、提前24h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10kW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600kW。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26大�连�民�族�学�院�学�报第13卷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200km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10km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