国内外风力发电概况及发展方向_关伟

国内外风力发电概况及发展方向
Status and Development T rend of Wind Pow er Generation at Home and Abroad
关　伟1,卢　岩2
(1.吉林省吉能电力集团有限公司,吉林　长春　130021;2.大唐长春第二热电有限责任公司,吉林　长春　130031)
摘　要:针对世界各国风电发展的概况作了综述,同时分析了风电的发展方向应该是小容量向大容量转变,定桨矩向变桨矩和变速恒频转变,风力发电成本由高到低以及陆上风力发电向海上风力发电转变等。

关键词:风力发电;风力资源;容量;桨矩;频率
Abstract :A fter summar izing the g lobal development of wind po wer geer atio n ,the w ind pow er g eneration dev elo pment trend is pr o po sed ,w hich includes t he changes fr om small capacity to larg e capacity ,fro m fix ed pitch blades to v ariable pitch blades w ith var iable speed and co nst ant fr equency ,fro m high co st t o lo w cost and fro m onshor e to o ffshor e etc..
Keywords :wing pow er g enerat ion ;wind r eso ur ces ;capacity ;pitch blades ;fr equency
中图分类号:X 382;T M 614 文献标识码:A 文章编号:1009-5306(2008)01-0047-04
收稿日期:2007-11-06
作者简介:关　伟(1970—),女,高级工程师,现在吉林省吉能电力集团有限公司发展策划部工作。

风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。

目前全球每年的风能大约相当于每年耗煤能量的1000倍以上,其含量大大超过水能,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。

风能的特点是分布范围广泛而能量密度较低,因多处于大气的自由运动状态而稳定性较低。

风能的重要优势在于它本身不含任何污染物,是一种清洁原料。

在风电生产过程中既不会产生任何污染物,也不会造成太多的内部能量损耗,同时,风能属于天然资源,无处不在,无时不有,是一种节能、廉价型的优质能源。

风是一种应用潜力很大的新能源,有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有200亿kW ,几乎是目前全世界水力发电装机容量的10倍,因此,国内外都很重视利用风力来发电。

1　国外风力发电的情况
19世纪末,丹麦首先研制成功了风力发电机组,并建成了世界上第一座风力发电站。

一个世纪以
来,世界各国纷纷研制了类型各异的风力发电设备,风力发电的重要意义不断受到国际社会的普遍关注与高度重视,对风力发电的学术研究和推广普及工
作取得了相当突出的进展。

近年来由于化石燃料的短缺危机及对环境保护的要求日益严格,特别是根据《京都议定书》的国际协定兑现减排CO 2等温室效应气体的承诺,促使风电发展越来越迅猛。

1.1　美国风力发电的发展
作为世界经济最发达的同家,美国政府高度重视对风能的开发利用。

2000年,美国已拥有风电机组超过2000万台,总装机容量达2500M W 以上。

仅1年之隔,2001年美国新增的风力发电装机容量创历史记录,达1700M W,风电装机总容量达4200M W,至2004年初已达6300M W,一跃而居全球次席。

从地域分布来看,美国的风电场大都建在西海岸的加里福尼亚州地区,近年来有逐步向中、西部地区延伸的趋势。

据美国能源部称,至2010年风电至少应占到其国内电力消耗量的10%。

近10年来,美国政府在大型风轮机研制开发方面的投资额年均增长率达22%,并明确提出4美分/(kW ・h)的发电成本目标。

最近数年,美国又转向研究其海上风能资源,并已开始制订海上风力发电发展计划。

1.2　欧洲风力发电的发展
在世纪之交的欧洲风力发电可谓独领风骚,突飞猛进。

截止2000年底,已有17500MW 的风力发
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电设备在世界50多个国家运转着,而其中70%就安装在欧盟国家;仅2000年,欧盟的风力发电新增装机容量为3500MW,几乎为1993年的10倍;截止2001年底,欧洲已投入运行的风力发电设备的装机容量达17300M W.比2000年剧增35%,占全球风力发电总装机容量的72%,年风力发电量为400×108kW・h,可满足1000万个家庭的用电之需。

由此可以预见,在未来的10年中,风能定将成为欧洲的主要能源之一。

20世纪80年代以来,欧盟一直在不遗余力地支持风力发电事业的快速发展。

在宏观能源政策的制定上,欧盟率先提出了优先发展可再生能源的思路,力求在保证能源供应的同时,兼顾保护生存环境,促进社会及经济的共同发展。

1998年欧洲议会通过的《可再生能源》白皮书规定,到2010年欧洲可再生能源的发电量要翻一番,即从1998年占欧洲总电能需求量的6%提高到12%。

按照《京都议定书》的要求,2010年欧洲的风力发电能力将达到40000M W,这无疑是一个极其宏伟的目标。

1.3　亚洲风力发电的发展
a.印度。

在亚洲,利用风能资源最好的国家是印度。

2004年印度新装风力发电容量为875MW,累计装机容量达到3000M W,位居世界第四位。

印度政府正通过一定的财政支持政策,鼓励多种方式开发利用可再生能源。

这包括鼓励大型私营企业与上市企业共同在印度本土投资风力发电工业,鼓励以本土为基础开发制造风力发电设备。

目前,印度风电设备国产化率已达80%,这不仅使风力发电设备生产厂家获得了丰厚的回报,也为本国提供了很多就业机会,据印度政府有关部门预测,到2012年,印度经济增长将需要新增电力240000M W,其中10%将来自于可再生能源,新增可再生能源的50%将由风力发电提供。

b.日本。

近几年,由于日本政府通过了一系列措施,如:要求电力公司增加可再生能源的供电比例,对可再生能源电力在价格和资金补助上予以一定的优惠等,日本的风力发电产业发展迅速。

为了有助于实施清洁能源计划,政府要求日本公司购买可再生能源电力的预期使用期限长达17年,这样就增强了清洁能源投资者的信心。

实施这一措施的结果使得日本的风力发电装机容量从2002年的486M W增加到2004年的700M W。

为了促进可再生能源的发展,2003年日本政府还提出了相关的可再生能源标准法规,争取到2010年日本可再生能源的发电量达到总电量的1.35%。

日本的风力发电目标是到2010年风力发电装机容量达到3000M W。

要实现这一目标,日本还必须面对现有法规不健全、再生能源电力并入电网缺少电力公司的合作等一系列困难。

1.4　南美、中美洲、非洲和中东地区
a.南美和中美洲具有丰富的风能资源,但是风力发电发展缓慢,装机容量不足150MW。

哥斯达黎加已经建立了第一个大型风力发电场,装机容量为71M W。

巴西具有巨大的风能资源,开发前景良好,预计到2006年末,巴西风力发电的装机能力将达到1350M W。

阿根廷和墨西哥的部分地区也适合风力发电,许多欧洲公司正在开发这些地区的风能市场。

b.非洲和中东地区已经建成了具有数百兆瓦发电能力的风力发电厂,发展较快的是北非。

非洲风能资源大部分集中在大陆的南部和北部,风力发电主要集中在摩洛哥、埃及、突尼斯等国家。

2　我国风力发电的情况
2.1　我国的风能蕴藏量
我国幅员辽阔,风能资源丰富。

根据气象部门的资料,可开发的陆地风能资源10m高层大约为253GW,可利用的海洋风能资源大约为750GW。

东南沿海一带和附近的岛屿以及内蒙古、新疆、甘肃等地区都蕴藏着丰富的风能资源,年平均风速达6m/s以上的内陆地区约占全国总面积的1%,仅次于美国和俄罗斯,居世界第三位〔1〕。

2.2　早期开发情况
我国风能资源开发利用较早,但早期主要是以分散、小规模试验和示范形式,规模化风力发电场的建设始于20世纪90年代。

1976年我国第一台国产18kW风力发电机组并入浙江泗礁岛电网试运行, 1983年山东荣城引进3台Vestas-55kW风力发电机组,1986年新疆达板城安装13台Bonus-150kW 风力发电机组,内蒙古朱日和安装5台美国W indpow er-100kW风力发电机组〔1〕。

2.3　近期开发情况
2004年,我国新装机的风力发电机组容量为197MW,总装机容量为760M W。

到2006年底,全
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国风电装机容量已达到260×104kW,比2005年增长105%,列世界第六位。

至2006年底,全国累计3311台风电设备分布在16个省(市、区、特别行政区)的91个风电场。

由于内蒙古自治区政府支持,且当地风力资源较好,共安装224台风力发电机,装机总容量为135MW,居全国第一位,其次是辽宁、新疆。

2.4　风力发电机组生产情况
我国自1985年在海南东方风电场安装首台Vestas-55kW风力发电机组以来,经过20年的努力,我国开发风能方面取得了长足发展。

在国家科技攻关项目、863计划等国家项目的支持下,我国已经具备200、250、600、750kW风力发电机组批量生产能力。

我国风电场安装最多的机型是600～1000kW风力发电机组。

2.5　远期规划
据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力600GW左右,其中108GW左右为可再生能源发电。

2010年以前,我国计划新建20座大型风力发电场,每座风场的发电能力达到100M W,并要求风力发电设备国产化率达到70%以上〔2〕。

3　全球风电发展特点
自20世纪70年代中期开始,在环保和能源的驱动下,并网的风电机由小到大逐步发展,风电场跃然兴起。

因为它不排放有害气体,尤其是近10年接受了高新技术和多国政府的政策激励。

近20年来,世界风电表现为以下特点。

a.开发多元化。

风电产业迅速壮大,投资者有国家、地区、电力部门、金融组织、国际财团、企业集团、企业职工、个体农牧户及自由股民。

包括公有、私有、企业所有的多种所有制。

b.设备实用化。

20年来,风电机的可用率由81%提高到97%,技术已成熟。

年运行时数由4200h提高到6000h以上。

c.设备大型化。

20年中装机容量由50kW提高到1000kW以上。

d.取能高度化。

为了获取较强较稳定的风能,风轮的轮毂高度由20m提高到60m,有的已提高到70m以上。

风能功率密度提高了30%～45%。

e.成本低廉化。

20年中,风电成本降低到不仅比核电低,比大水电低,甚至比新的大火电成本低,已具有一定的竞争力。

4　风力发电发展方向
风力发电近年来技术发展趋势和容量变化分别见图1、图2〔3〕。

从中明显看出这样一个规律:从早期的失速调节向变速变桨恒频发展;传动技术从有齿轮箱的结构发展到直接驱动;机组的单机容量逐步
加大。

图1
　技术发展趋势图
图2　容量变化图
4.1　单机从小容量向大容量发展
目前,我国风电场运行的主力机组大都是600(或660)kW级的风力发电机,但从国外发展情况来看,兆瓦级大型风力发电机组已是欧美各国制造厂竞相发展的方向,1～2M W机组技术上已成熟,并投入商业化运行,在实际应用中日益普及。

风电单机容量的增大有利于提高风能利用效率,降低单位成本,扩大风电场的规模效应,减少风电场的占地面积的应用。

4.2　定桨矩向变桨矩、变速恒频发展
风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。

由于风速、风向随机变化,引起叶片攻角不断变化,导
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致风电机组的效率和功率的波动,并使传动力矩产生振荡,影响电能质量和电网稳定性。

随着风电技术的发展,现在许多风电机组采用了变桨矩调节技术,其叶片的安装角可以根据风速的随机变化而改变,气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的范围内,从而有可能在很大的风速范围内保持较好的空气动力学特性,获得较高的效率,特别当风速在大于额定风速条件下,仍可保持输出功率的平稳。

在变桨技术的基础上,又发展了变速恒频技术,使风机的转速可以随风速的变化而变化,进一步提高了风电机组的频率。

4.3　风力发电成本由高到低
风力发电相对于太阳能、生物质等可再生能源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小。

在过去20多年里,风力发电技术不断取得突破,规模经济性日益明显。

根据美国国家可再生能源实验室NREL的统计,从1980年至2005年期间,风力发电的成本下降超过90%,下降速度快于其他几种可再生能源形式。

根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风力发电机组所进行的评估,从1981～2002年间,风力发电成本由15.80欧分/(kW・h)下降到4.04欧分/(kW・h),预计2010年度电成本下降至3.00欧分/(kW・h),2020年降至2.34欧分/ (kW・h)。

随着风力发电技术的改进,风力发电机组将越来越便宜和高效。

增大风力发电机组的单机容量就减少了基础设施的投入费用,而且同样的装机容量需要更少数目的机组,这也节约了成本。

随着融资成本的降低和开发商的经验丰富,项目开发的成本也相应得到降低。

风力发电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。

4.4　陆上风电向海上风电发展
随着风电的发展,风电场规模和单机容量越来越大,加上陆上风电场受环境因素的制约,人们很自然把目光放到海上风电场。

一般认为2.0M W是陆上风电场发展的极限。

巨型风电机其桨叶长度将达到60～70m,陆上运输极为困难,安装用的吊车容量将超过1200～1400t。

大部分地区不具备这个条件。

因噪声和庞大的体积使陆上选址及运输遭遇很大困难。

而这些问题对于海上风电来说相对比较容易解决,海上运输方便且超过1500t的浮吊已比较普遍,更重要的是,海上风速大且稳定,年平均利用小时可达3000h以上,年发电量可比陆上高出50%。

4.5　结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展
随着风电机组单机容量的不断增大,为了便于运输和吊装,要求机组在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化,特别是其顶部的结构设计。

如充分利用高新复合材料的叶片加长风机叶片长度;省去发电机轴承,发电机直接与齿轮箱相连,直接置于驱动系统、从而使转矩引起振动最小,采用变速箱系统,将多极发电机与风轮直接相联;调向系统放在塔架底部;整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上,使荷载力以最佳方式从轮毂传导到塔筒上等。

各风电机制造商都在结构设计的紧凑、柔性、轻盈化方面做了大量工作。

5　结语
风能作为应用潜力很大的清洁可再生能源,受到了世界上许多国家的重视。

目前,许多国家积极开发海上(离岸)风电场。

优点是风速高、发电量大;湍流小,减少机组疲劳载荷,延长使用寿命。

但其接入电力系统和机组基础成本高。

海上风电场研究开发的主要课题有海底风电机组基础结构,将机组设计寿命提高到60年,第1台机组报废后,第2台机组继续使用同一个基础结构;另一个课题是开发单机容量2000～5000kW的超大型风电机,我国海岸线较长,可利用的海洋风能资源丰富,开发海上风电场也是我国风力发电的一个发展方向。

我国还具有广阔的草原,风能资源储备非常丰富,同时风能的发展对于解决当前较为突出的二氧化碳排放、酸雨等环保问题、缓解能源短缺的紧迫压力、实现和谐社会的目标将发挥关键作用。

参考文献:
〔1〕　王素霞.国内外风力发电的情况及发展趋势〔J〕.电力技术经济,2007,19(1):29-31.
〔2〕　邱世明.中国风力发电产业发展趋势〔EB/OL〕.http// ccido nsulting.blo /,2007-03-22.
〔3〕　高技术产业司.近年全球风力发电技术发展趋势〔EB/ O L〕.http//gjss.ndrc.go /,2006-09-28.
(编辑　田淑华)
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