风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势

张伯泉等：风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势第６期新能源

风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势

张伯泉，杨宜民

（广东工业大学自动化学院，广东广州

５１００９０）

摘要：阐述风能和太阳能是丰富清洁的可再生能源，风力发电和太阳能光伏发电是重要的后续能源，将

为能源结构调整和环境保护做出巨大贡献。介绍国内外风能与太阳能资源，分析国内外风力及太阳能光伏发电现状，论述其发展趋势及需要解决的问题。针对风能与太阳能的特点，指出风力与太阳能互补发电比单一发电方式更优越，并介绍风力与太阳能光伏互补发电的研究现状及进一步发展所要做的努力。关键词：风力发电；太阳能发电；风力／光伏互补发电中图分类号：ＴＫ８；ＴＫ５１１

文献标识码：Ａ

文章编号：１００４－９６４９（２００６）０６－００６５－０５

收稿日期：２００６－０３－１４

基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５３４０４０）；广东省自然科学基金资助项目（０５００１８１９）

作者简介：张伯泉（１９７４－），男，山东沂水人，博士研究生，从事智能控制、风力／光伏互补发电能量管理控制的研究。

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１风力发电的现状与发展趋势

风能资源是指在量和质上可供人类开发利用的

风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，全球每年可利用的风能总量约为５３ＰＷ・ｈ［１］。

１．１国外风力发电的现状与发展趋势１．１．１风电装机容量

近几年装机容量保持了快速的增长，１９９５—２００４年，平均年增长速度为３０％左右。２００４年末，

全球风机累计装机容量已达４７．６１ＧＷ。到２００５年

末，世界风电装机容量的估计值是５８．１２ＧＷ［２］。表１是世界风电装机容量发展状况［２￣４］。

２００３年，欧洲风能协会和绿色和平组织在《风力１２———

关于２０２０年风电达到世界电力总量１２％的蓝图》中预测２０２０年全球的风力发电装机将达到

１２３１ＧＷ，风力发电量将占全球发电总量的１２％［３］。

１．１．２风机单机容量及单位装机成本

２０世纪８０年代中期，风机主力机型的容量为５５ｋＷ。到２００４年，全球风机平均单机容量达到

１．３ＭＷ，主力机型已是兆瓦级。目前，最大的风机是

德国ＲＥｐｏｗｅｒ公司于２００５年２月生产投运的

５ＭＷ的风力发电机［５］。

世界观察研究所的资料显示，风力发电机的

装机成本随着风机单机容量的增长已从１９８１年的

２６００美元／ｋＷ降到２００３年的７５０美元／ｋＷ。发展大容量、大功率风机是今后风机发展的一个趋势［６］。目前，低于６００ｋＷ的风机几乎不再生产。

１．１．３风电价格

风力发电技术日臻成熟，风电价格不断下降，已从１９８０年的约３２美分／（ｋＷ・ｈ）降到２００３年的约５美分／（ｋＷ・ｈ），一些美国电力公司的风电优惠售价已降到２．０￣２．５美分／（ｋＷ・ｈ）［７］。据专家估计，２０２０年以后风力发电成本的平均竞争力可达到洁净煤发电厂的水平［２］。

１．１．４风电技术

国外风电技术的现状有以下几大特点：（１）风机风轮叶片的变速调节能使风机跟踪最佳功率曲线；（２）无刷双馈电机具有可靠的无刷结构、

多种运行模式及良好的运行性能；（３）交－交矩阵变换器变流效率高，输出的波形稳定，电能质量好，适合变速恒频风力发电的频率控制；（４）直驱式传动系统噪声低，机组体积小，维护成本低，机组寿命长；（５）异步发电机软并网、同步发电机经变频器并网及高压发电机直接并网能够保证并网的可靠性，减小对电网的干扰；（６）智能控制的鲁棒性、变结构及自寻优等特点使它能够克服变参数与非线性因素的影响，适合风力发电机组的控制，是未来风电机组的主要控制方法。

表１

世界风机累计装机状况

Ｔａｂ．１Ｔｈｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｗｏｒｌｄｗｉｄｅ

ｆｒｏｍ１９９５ｔｏ２００５

ＧＷ

年份１９９５１９９６１９９７１９９８１９９９２０００２００１２００２２００３２００４

２００５（估计）

累计装

机容量

４．９０６．０７７．８０９．６９１３．４５１７．８０２４．３９３１．１２３９．２９４７．６０５８．１２

中国电力

ＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ

第３９卷第６期２００６

年６月Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６

Ｊｕｎ．２００６

６５

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第３９卷

中国电力

新能源

表２１９９７—２００５年我国每年新增风机装机容量

及累计装机容量

Ｔａｂ．２Ｔｈｅｎｅｗａｄｄｉｎｇａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｗｉｎｄ

ｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎＣｈｉｎａｆｒｏｍ１９９７ｔｏ２００５

ＭＷ

年份１９９７１９９８１９９９２０００２００１２００２２００３２００４

２００５

（估计）

新装机容量

累计装机容量

１０９．２

１６６．７

５６．９

２２３．６

４４．７

２６８．３

７７．７

３４６．０

５７．２

４０３．２

３６．８

４４０．０

１２７．０

５６７．０

１９７．０

７６４．０

２４０．０

１００４．０

１．１．５近岸、浅海风电场建设

海上风电场比陆地风电场年发电量可增加

２０％￣５０％，且远离居住地，噪音干扰小。但海上风电

场的建设需要解决湿度大、腐蚀性高、施工困难等问

题。目前，丹麦、瑞典、荷兰、英国等国家已建立了海

上风电场。随着风电技术的进步，近岸、浅海风电场

的建设将会加快速度。

１．２我国风力发电现状与发展趋势

２０世纪９０年代中后期，为促进风电产业的发

展，我国实施了“双加”工程和“乘风计划”［６］，以促进

我国风电产业的发展。经过近１０多年的努力建设，

我国的风电产业已有了很大改观。

１．２．１风电装机容量及主力机型

２００４年底，我国在１４个省（区、市）已建成４３座

风电场，装机容量达７６４ＭＷ，占发电总量的０．８％［７］。

到２００５年末，我国风电装机容量的估计值为１ＧＷ

以上［８］。表２是１９９７—２００５年新增装机容量及累计

装机容量状况［３，８，９］。国家发改委提出，到２０２０年，我

国的风电装机容量要达到３０ＧＷ，约占国内发电总

装机容量的２％。我国的风力发电机的主力机型已

从２０世纪８０年代中期的单机容量为５５ｋＷ发展

到６００￣７５０ｋＷ。

１．２．２市场份额及自主开发能力

２００４年累计风电设备市场份额中，国内企业已

占１８％［１０］。经过多年研究，我国基本掌握大型风电机

组的设计和制造技术，主要零部件国内都能自己研发

制造，６００ｋＷ风电机组的国产化率已达９０％［１１］。

２００５年４月，新疆金风科技股份有限公司自主开发

研制了１台１．２ＭＷ直驱式永磁风力发电机，标志着

中国风机设计制造能力已达到世界先进水平。

１．２．３风电价格和优惠政策

目前，我国风电平均上网电价降为０．５０￣０．６０

元／（ｋＷ・ｈ），但仍高于水电价格和火电价格。

我国出台并实行了风电项目特许权、２段电价

法等优惠政策和《可再生能源法》［１２］，从政策、法律的

角度为风电产业的发展提供了保证。

１．３风电产业进一步发展需要解决的问题

目前，世界风电产业处于初期发展阶段。为促进

风电产业的发展，必须从以下几个方面着手：（１）加

大风电产业的投资力度，加快风电产业相关人才的

培养；（２）进一步作好风能资源统计工作，提高风能

评估水平与微观选址的科学性；（３）不断开发研制大

容量、高效、高可靠性风电机组，提高发电机组的风

能转换效率和风电质量；（４）建设分布式风电场，独

立与并网发电同步建设，提高风电产业在地域与发

电总量市场中的占有率；（５）逐步开发近岸、浅海的

风能资源，建设近岸、浅海风电场；（６）加大政策扶持

与法律保护，考虑风电产业的社会效益和环境效益，

对风电实行保护价格，增强与常规能源的竞争力；

（７）建立国际风电产业质量认证与监管机构，为风电

产业的快速、健康发展保驾护航。

２太阳能发电现状与发展趋势

地球表面每年接受太阳的辐射量达５．４×１０２４Ｊ，

相当于１．８×１０１４ｔ标准煤。若将其中的０．１％按转换

率５％转换为电能，每年发电量可达５６００ＴＷ・ｈ，相

当于目前全世界能耗的４０倍。因此，太阳能发电对

今后能源发展有着特别重要的意义。目前，太阳能发

电主要是指光伏发电。

２．１国外太阳能光伏发电现状与发展趋势

太阳能光伏发电产业是２０世纪８０年代以来世

界上增长最快的高新技术产业之一。到２００４年，世

界太阳能光伏发电装机总容量达到９６４．９ＭＷ，到

２００５年底，估计达到４９６１．６９ＭＷ。已经商品化、实

用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅

电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电

池等几类。在国际市场上，目前太阳能光伏电池的价

格大约为３．１５美元／Ｗ，并网系统价格为６美元／Ｗ，

发电成本为０．２５美元／（ｋＷ・ｈ）［１３］。光伏电池的光电

转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到

１５％，单晶硅光电池转化率是２３．３％，砷化镓光电

池是２５％，在实验室中特制的砷化镓光电池已达

３５％～３６％［１３］。太阳能光伏电池／组件使用寿命大大

增长，可用３０多年。

目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，

其光伏发电量约占世界光伏发电量的８０％［１４］。

今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长

寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到２０５０年，

太阳能光伏发电在发电总量中将占１３％￣１５％，到

２１００年将约占６４％［１５］。

２．２我国太阳能发电现状与发展趋势

２０世纪９０年代以来是我国光伏发电快速发展

的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增

强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增

加，２００４年累计装机容量达３５ＭＷ，约占世界份额

的３％［１５］。１０多年来，我国光伏产业长期平均维持了６６

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