世界风力发电状况及对我国发展风电技术的思考

风能作为一种清洁、安全的可再生能源, 曾对人类的发展起到了巨大的推动作用。人类对风能的利用源于亚洲。公元年2000前, 中国和波斯国今伊朗就开始用风车提水和灌溉农田。风车在欧洲的出现时间比亚洲为晚。公元1105年法国制造了欧洲第一架风车。随后在英国, 荷兰等欧洲国家相继出现, 13世纪风车已在全欧洲广泛应用。18世纪风车在全世界范围得到应用成为当时人类社会的重要能源, 因此18世纪被称为是风车应用的黄金时代。此后蒸汽机的发明及广泛应用, 使人们对风能的应用兴趣大减, 但19世纪后期风力发电机的重新出现揭开了人类利用风能的新篇章。

世界上第一个利用风能发电的国家是丹麦。10年丹麦制造了第一台风力发电机, 到1910年已有几百台5—25kW的风电机组运行。由于火力发电造成环境污染且逐步耗尽人类有限的矿物燃料, 人们对可再生能源——风能又开始重视起来。经过30年的努力, 风力发电正逐步从研究阶段走向大规模商业化实用阶段。

二战后, 美国更认识到能源问题的严重性, 因而投入大量资金用于风力发电研究。50年代末研制出50kW风力机, 60年代研制出300kW风力机, 80年代末以Mod—0, Mod—01, Mod—02等机型为代表, 风力机的功率从500kW逐步上升到2MW。在增加风力发电机的输出功率的同时, 还十分重视提高运行可靠性。一些机型采用了微机控制, 或发电机内部微处理器技术的应用, 使风电机组可根据外界风力的大小、方向和强弱变化而改变其转数和叶片的角度, 提高运行可靠性, 以满足并网发电的要求。

当前世界风力发电发展概况

近十多年来, 风力发电在世界范围内有了很大的发展。1981—1992年间风电机组装机容量以每年65%左右速度稳步增长, 1992年增加到2650MW。1995年, 世界风力发电新增装机容量1300ＭＷ, 比１９９４年增加３５％。到１９９６年, 世界风电装机总容量已超过５０００ＭＷ。

１９９２年, 全世界风力发电总量第一次突破４０亿ｋＷ, １９９３年突破５０亿ｋＷ,１９９４年为６０亿ｋＷ, １９９５年为７０亿ｋＷ以上。１９９３年欧洲风力机装机容量首次突破１０００ＭＷ。其中丹麦占欧洲总装机容量的一半, 且以每年约４０ＭＷ一５０ＭＷ的速度增长。德国１９９３年超过的３００ＭＷ装机总容量, 且其增长率超过了世界上包括丹麦的任何一个国家。此外, 荷兰、英国也都超过了１００ＭＷ的装机容量。

风电产业的迅速发展, 带来了比较好的经济效益。１９９３年全世界风能产业的销售额已突破１０亿美元。由于化石燃料的逐步枯竭和日趋恶化的地球环境二者的挑战, 各国采取可持续发展战略, 包括许多发展中国家在内对风力发电这种可再生能源引起极大重视。美国提出, 到２０００年, 风电要达到全国发电总装机容量的１０％。丹麦为５％, 英、德、西班牙、法国、日本、意大利、加拿大等发达国家均制定了类似的发展计划。印度也制定了宏大的风电发展计划。

各国对风能这种洁净可再生能源引起重视的原因有两点①环保的要求。风能是最洁净且可再生的能源。火力发电的然烧排放物严重污染环境给火力发电的发展施加了巨大的压力。核电也受到个别国家法律的和公众的制约。水力发电资源已在一些国家开发殆尽。而风电还有具大的开发潜力, 虽然有一些噪音和对侯鸟的影响, 但不是主要问题。②由于风电机组单机容量的提高, 使风电成本大大下降, 美国在建风力发电场的投资为１０００美元／ｋＷ（约合人民币８６００元）, 上网电价５美分。国外水电单位容量造价约１０００美元／ｋＷ, 我国也在此水平。从电价看, 按现行各种税收, 经水规院测算的８个水电站调整结果电价为０．８５一１．２５元／ｋＷｈ。大亚湾核电站的上网电价为７美分, 其单位造价更高。由此可看出风电造价和电价已可与其它发电型式相媲美。

世界风力发电发展趋势

１９９４年美国世界能源观察所提供的研究报告指出, 世界能源发展的趋势是石油产量持平, 风力发电增加, 核电逐步增加, 太阳能发电增长缓慢。８０年代中期以来, 世界风力现代电力年发电的步伐逐步加快, 其主要趋势有三方面

（1）从小型、中型机向大型、巨型机发展。

为发挥风电的优势, 降低成本, 打破了以前认为２５０ｋＷ为风电单机极限容量的说法,在中小型机技术的基础上, 一些国家正致力于５００ｋＷ、７５０ｋＷ，甚至兆瓦级风力机的研制。美国研制的ＷＴＳ一４型巨型机, 叶轮直径７８．２ｍ, 转数３０ｒ／ｍｉｎ, 额定功率４ＭＷ, 已在安装试验中。

（2）大力发展风电场, 发挥规模效益。

美国现有５ＭＷ以下风电场５７处, ５—２０ＭＷ风电场３２处,２０一５０ＭＷ风电场５０处,５０ＭＷ以上风电场１０处, 已具相当规模。

（3）高新技术用于风力发电, 以提高风电机组的可靠性和发电效率。

现代风力机的设计在不断改进其翼型, 增加其塔高, 改善风力机本身的运行特性。此外现代微机控制技术, 并网技术, 电力电子技术及储能技术的应用, 也使风电系统越来越可靠实用。

我国风电的现状及发展风电的若干思考

（1）我国的风力资源及风电技术基础

我国的风能资源较丰富, 全国平均风能密度约为１００Ｗ／㎡, 风能资源总储容量２０亿ｋＷ／ａ左右, 其中, 地理上和经济上近期可开发利用的为２．５亿ｋＷ／ａ, 特别是东南沿海及附近岛屿, 内蒙、甘肃、和青藏高原部分地区, ３ｍ／ｓ以上风速出现时间约为４０００一８０００ｋＷ／ａ, 一些地区平均风速可达６一７ｍ／ｓ以上, 年有效风能密度２００Ｗ／㎡　以上, 可开发利用的地区占全国总面积的以上, 具有很大的开发潜力。

我国的风电开发研究始于“ 六五” 计划期间, 从小型机起步, 经历了技术引进, 试验研究, 定型生产阶段, 据１９９２年以来的统计, 已推广使用的微小型风力机１２万台, 总装机容量１７ＭＷ, 年发电量７９５ＧＷｈ, 但主要解决农牧区照明用电。

“ 七五” 期间后我国的风电事业发展速度加快, １９８４年中国风能技术中心正式成立, 目前, 我国已能批量生产１００一２００ｋＷ级的用于并网的风电设备, 正集中力量开展２００ｋＷ以上风力机组的联合攻关。目前, 已有运载火箭研究院, 航天部及几所大学参加。

目前, 我国已在、内蒙、广东、山东等地建立了１３个风电场, 安装了５５ｋＷ以上大中型风电机组９７台, 总装机容量１．３４万ｋＷ, 其中达板城风电场装机６２５０ｋＷ, 最大单机功率４５０ｋＷ, 为最大风电场。又在海南筹建第二大风电场一一东方, 拟从德国、丹麦进口４８台２５０－３００ｋＷ机组, 总容量达１．３万ｋＷ。

（2）我国的风电发展策略及分析

我国在１９９２年国际环发大会后明确提出了因地制宜开发风能, 太阳能等清洁可再生能源。１９９６年底, 全国并网风电机组１５０台, 总装机容量３．２万ｋＷ单机最大功率４５０ｋＷ。

为了加快以风能、太阳能为主的可再生能源的开发利用, 国家科委、计委、经贸委、电力部分别设置了新能源处。１９９４年, 国家计委、科委、经贸委制定了我国到２０１０年的新能源发展纲要, 提出的发展风电的基本战略要点是：

①从现在的试验阶段向产业化、规范化方向发展。

②把电力部门推向风力发电第一线, 使之成为办风电的主力军。

③以风电场建设为龙头, 带动风电事业的发展。

④继续开展中外技术合作, 中外合资办风电, 逐步实现风电机组国产化。

作为近期目标, 三部委制订的本世纪末风电总装机容量达１０００ＭＷ, 年发电量３０亿ｋＷｈ的奋斗目标, 如果这一目标实现, 风力发电量将占全国发电量的０．２８％, 超过世界目前０．１％的平均水平。１９９８年５月１３日, 由电力部和联合国亚太经济和社会委员会发起,中国风能开发中心和电力部信息所主办的“ 北京国际风能会议” , 有来自美、德等１７个国家和２０多个省市的代表参加。在会上汪恕诚副宣布, 中国将大力支持风电开发,到本世纪末, 风电装机容量将由现在的４０ＭＷ不足增长到１０００ＭＷ。与此同时, 在的支持下, 各方也在做许多实际的工作, １９９３年开始, 航天部、第一拖拉机集团, 与德国Ｈｕｓｍｅｒ公司合作开发生产ＨＳＷ／２５０ｔ的250kW风力发电机, 由德方制造风力机, 中方设计制作塔架, 第一批4台机组已在内蒙锡林浩特风电场并网发电, 此举迈出了大型风力机国产化的第一步。

为保证规划目标的实现, 国家正在组织力量攻关, 并已颁布若干有关风力机械的国家或行业标准近20项, 此外, 1985年国家技术监督局批准成立了全国风力机械标准化委员会, 为今后开发风力机械的技术监督起到先行作用。

有关风电设备开发制造领域的合作研究的思考

据报道, 澳大利亚第一座商业风电场1995年投入运营, 总容量2MW, 造价410万美元(在澳南部海边), 有9台风力机, 塔高30米, 额定风速7.5m/s, 成本价5.7美分/kWh。

我国虽有较长的开发风能的历史, 至今的风能利用却仅停留在微小型机和解决农牧民照明水平上。近年来建的稍大的风电场仍属试验阶段, 中大型风力机和机架几乎全部进口,故风电成本较高。因此, 要实现我国风电事业大规模的发展, 必须实现大中型风力机的深度和广度的国产化。

主要领域有：合作开发或引进吸收国外风力机的结构设计, 如翼形、片数、材料及工艺升速、调速机构以及台风暴风强制停车机构的研究开发有关支承塔架的方案及结构设计。一般而言, 随塔高增加, 风能密度加大, 风电成本降低, 借助于塔高获得的风能增加带来的收益已超过塔高增加的成本。据美国报导, 塔高从90m增加到140m, 成本增加4%, 能量多收集达10%以上。因此塔高塔型的优化设计也是重要的研究开发课题, 但有较大难度。由于风力机单机容量增加, 重量加重, 塔势必头重脚轻, 再加上侧风, 设计时涉及较多因素。另外在风速及环境变化时风力机架的动态特性也应考虑较充分。故我国风力机使用的塔架较低, 而美国已开发160m高的塔架。

在风电开发中有研究价值的领域还集中在降低风电成本和安全可靠性方面。如为有效利用风能, 要求设计随风向风力变化的调节机构和微机控制, 风力数据自动采集、处理等, 防止过热, 抗强风性能及海面浮动支座等方面的研究等。

综上所述, 现代风力发电技术已日臻成熟, 市场正逐步扩大。尽管风力发电量占全球总发电量的比例还较小, 但已发展成为增长最快的新能源之一, 并具备了与常规能源竞争的一定能力。有鉴于我国的常规能源有限及环境保护意识的增强, 国家对风能等可再生能源的利用已提出明确要求, 为此电力科研和生产部门必须成为风电产业的主力军, 以项目现代电力年建设为龙头加速有关风电技术的引进、消化, 研制和开发, 促进我国风电产业的快速形成和发展。