包 耳,胡紅英
(大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)
風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望
包 耳,胡紅英
(大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)
闡述了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r,分析了風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展的原因和條件,指出風(fēng)力發(fā)電已由單一化向多元化方向發(fā)展。簡述了風(fēng)力機(jī)技術(shù)、風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)、海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀。
風(fēng)力發(fā)電;發(fā)展?fàn)顩r;風(fēng)機(jī)容量;并網(wǎng)技術(shù)
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。
19世紀(jì)末丹麥人研制出世界上第一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī),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(jìn)步[1-3]。
1.1 風(fēng)電裝機(jī)容量
近 20年風(fēng)電裝機(jī)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(jī)容量一直保持領(lǐng)先地位。
表1 世界風(fēng)電累計裝機(jī)容量 ×104 kW
2008年世界風(fēng)電裝機(jī)容量繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長勢頭,新增裝機(jī)為 2.6×107kW,累計裝機(jī)達(dá)到1.2×108kW。中國、歐盟、美國仍在新增市場中占據(jù) 80%左右的份額,美國新增裝機(jī)量排名第一,累計裝機(jī)量超過德國,成為世界風(fēng)電第一大國,中國的風(fēng)電裝機(jī)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(jī)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(jì)代價在金融危機(jī)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(jī)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(jī)容量
風(fēng)力發(fā)電成本與風(fēng)電機(jī)組容量相關(guān),一般情況下,單機(jī)容量越大則風(fēng)電成本越低。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)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(jī)的主力機(jī)型容量為 55 kW,1998年德國的單機(jī)平均容量達(dá) 780 kW,全球兆瓦級機(jī)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(jī)平均容量達(dá) 1.2×103kW,主力機(jī)型已是兆瓦級[3]。單機(jī)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(jī)制造商紛紛推出 4×103~6×103kW的各種形式的大容量機(jī)型,并已在陸上和海上安裝使用,同時也推出了 1×104kW機(jī)型的概念。但是在進(jìn)入 2008年后,風(fēng)電業(yè)界越來越多的人認(rèn)同的觀點(diǎn)是,現(xiàn)有的 1×103~3×103kW三槳葉風(fēng)機(jī)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(jī)是比較合適的規(guī)模,可以獲得較大的電力輸出,而 5×103kW以上容量的風(fēng)機(jī)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(yùn)輸、安裝難題,并且在不同的風(fēng)資源條件下,風(fēng)機(jī)的輸出功率并不是隨單機(jī)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(jī),不是越大越好,風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展應(yīng)更加注重于通過技術(shù)和工藝的改進(jìn)和提高,尤其是關(guān)鍵零部件的技術(shù)進(jìn)步,來提高風(fēng)機(jī)的質(zhì)量以及長期運(yùn)行可靠性,以增加風(fēng)電場的輸出功率,減少運(yùn)行成本。5×103kW以上的大容量風(fēng)機(jī),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(jī)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(jī)組的基礎(chǔ)。深海機(jī)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 B lue H公司在意大利 Puglia的離岸 17 km、水深 108m處,安裝了一臺容量 80 kW的深海風(fēng)電原型機(jī) (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(jī)容量要達(dá)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(jìn)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 6000 km,連接北海海域 100多個風(fēng)電場的 1萬多臺風(fēng)機(jī),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(jī)的基礎(chǔ)上,提出再建設(shè)總裝機(jī)容量為 4×105kW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(jī)容量分別為5×105kW、3×105kW和 1×105kW。因此,在未來二三年的時間內(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(jī)容量 4.2×105kW,安裝140臺 3×103kW的風(fēng)機(jī),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(jī)組,第一步先開發(fā)近海底座式風(fēng)機(jī),第二步在 2~3年后再發(fā)展浮體式基座和相應(yīng)風(fēng)機(jī)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(jī)容量為 6×105kW 。
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(jī)組,成功并網(wǎng)運(yùn)行。上海東海大橋 1×105kW海上風(fēng)電項目于 2008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 3×103kW海陸兩用風(fēng)電機(jī)組于 2009年 3月成功下線。中國海洋石油總公司 (China National Offshore Oil Corporation,CNOOC,簡稱中國海油)已經(jīng)規(guī)劃在山東威海建設(shè) 1×105kW的近海風(fēng)電場。
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(jī)組技術(shù)和風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)。
1.4.1 風(fēng)電機(jī)組技術(shù)
隨著槳葉空氣動力學(xué)、新材料技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、計算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)機(jī)技術(shù)也日臻成熟。蓬勃發(fā)展的風(fēng)電市場促進(jìn)了風(fēng)機(jī)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(kuò)大,風(fēng)機(jī)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(jī)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]??刂葡到y(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(jī)處理、調(diào)整,使風(fēng)機(jī)能夠適應(yīng)風(fēng)力的變化,在較佳狀態(tài)下運(yùn)行。
定槳距調(diào)節(jié)于 20世紀(jì) 80年代中期進(jìn)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(jī)組的并網(wǎng)問題和運(yùn)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(jī)于 20世紀(jì) 90年代進(jìn)入風(fēng)電市場,機(jī)組起動時可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制,使風(fēng)機(jī)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(dá)到更好的氣動效率;達(dá)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(jī)于 20世紀(jì) 90年代中期進(jìn)入風(fēng)電市場,其特點(diǎn)是:低于額定風(fēng)速時,能跟蹤最佳功率曲線,使風(fēng)機(jī)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)定。
21世紀(jì)初,效率更高的變槳變速雙饋風(fēng)電機(jī)組逐漸成為主力機(jī)型。
對于 2×103kW以上的大容量機(jī)組,隨著單機(jī)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(jī)單擊容量增大而出現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)之一,是控制系統(tǒng)對 3個槳葉分別單獨(dú)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]。
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(dá)到提前 48 h誤差控制在 30%以內(nèi)、提前 24 h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(dá)到電網(wǎng)容量的 25%和16%,德國則達(dá)到 17%和 7%[5]。
能源短缺問題已成為制約中國經(jīng)濟(jì)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(jì)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(yuǎn)地區(qū)建設(shè)了獨(dú)立運(yùn)行的功率在 10 kW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(jī)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(jìn)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(jī)容量僅為 4.5×105kW,最大投運(yùn)機(jī)組為600 kW。
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(jī)技術(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 200 km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 3.7×109kW;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 10 km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(fèi)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(jìn),陸續(xù)推出了國產(chǎn)化率達(dá) 70%以上的風(fēng)電機(jī)組。2009年,首臺2.5×103kW直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組總裝下線。中國生產(chǎn)的 1.5×103kW風(fēng)機(jī)已被市場廣泛接受。國產(chǎn)變速箱、發(fā)電機(jī)、電子產(chǎn)品等成熟出口產(chǎn)品開始進(jìn)入國內(nèi)風(fēng)電制造業(yè),為發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模國產(chǎn)化提供了有利條件。風(fēng)機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)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(jī)容量 6.03×106kW,超過丹麥成為世界第五風(fēng)電大國。其中僅 2007年就新增裝機(jī) 3.36×105kW,超過了歷年總和。到 2008年底,總裝機(jī)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(jī)容量 5.6×106kW,全年新增裝機(jī)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(jī)容量預(yù)計將達(dá)到 2×107kW,到 2020年末,有望達(dá)到 1×108kW。
多年來,風(fēng)電行業(yè)普遍追求的目標(biāo)是:在陸地上強(qiáng)風(fēng)地帶建立裝備水平軸、大功率、剛性槳葉風(fēng)力機(jī)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方向發(fā)展:(1)關(guān)注陸地風(fēng)電利用的同時,也重視具有廣闊資源的海上風(fēng)電的發(fā)展;(2)關(guān)注高風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)地帶的同時,也重視中低風(fēng)速的弱風(fēng)地帶風(fēng)電的發(fā)展,既可擴(kuò)大風(fēng)源的利用,又能降低成本、簡化維護(hù);(3)關(guān)注大功率風(fēng)機(jī)研發(fā)的同時,也重視小型機(jī)的發(fā)展;關(guān)注傳統(tǒng)的水平軸升力式風(fēng)機(jī)的同時[8],也重視新型的垂直軸阻力式風(fēng)機(jī)的發(fā)展;關(guān)注傳統(tǒng)的剛性槳葉風(fēng)機(jī)的同時,也重視用新型材料設(shè)計制造的柔性槳葉風(fēng)機(jī)的發(fā)展[9],以增加風(fēng)機(jī)的可靠性和對風(fēng)能的捕獲量;(4)關(guān)注聯(lián)網(wǎng)型大容量風(fēng)電場建設(shè)的同時,也重視分散型、小容量風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展,這對于發(fā)展中國家的雪原、海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)不發(fā)達(dá)這一現(xiàn)狀,具有更大的意義。上述風(fēng)電發(fā)展趨勢基本上都集中于一點(diǎn),即最大限度地利用風(fēng)力資源,積極推進(jìn)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。
2009年 12月的哥本哈根氣候變化會議,又把全人類的目光聚焦到低碳經(jīng)濟(jì)這一全世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要方向上來。溫家寶總理在大會的正式講話中指出:“中國是新能源和可再生能源增長速度最快的國家,鼓勵支持農(nóng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能……等新型可再生能源”,“到 2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 2005年下降40%~45%,在如此長時間內(nèi)這樣大規(guī)模降低二氧化碳排放,需要付出艱苦卓絕的努力”[10]。
可以相信,一個大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能的時代,一個利用風(fēng)力風(fēng)電造福于人類的時代將會到來。
[1]包耳.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].可再生能源,2004(2):53-55.
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(責(zé)任編輯 劉敏)
Development Status and Perspective of Wind Power Generation
BAO Er,HU Hong-ying
(College of Electromechanical&Information Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian 116605,China)
The development Status of wind power generation is described.Reasons and conditions for the development of wind power is analyzed.That of wind power generation is from a single direction to diversify.The status of thew ind turbine technology,wind power network technology and offshore wind power are described.
wind power generation;development status;wind turbine capacity;w ind power network technology
TK89 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
A
1009-315X(2011)01-0024-04
2010-08- 04;
2010-10-24
包耳 (1956-),女,上海人,副教授,主要從事機(jī)械設(shè)計、制造及工程材料研究。