1.2 風力發(fā)電的現(xiàn)狀及應用前景

1.2.1 國內(nèi)外風力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展前景

19世紀末，丹麥最早開始研究風力發(fā)電技術。隨著煤、石油和天然氣等化石燃料資源的日益減少，空氣、水源、氣溫等環(huán)境問題日益嚴重，風力發(fā)電作為可替代的新能源引起人們的關注。20世紀70年代，世界發(fā)生石油危機后，科學家開始重視利用風力發(fā)電，但那時的注意力重心是如何利用陸地上的風能。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐步發(fā)展至從陸地到海上風能的全方位的風能利用。

世界風能協(xié)會（WWEA）發(fā)布的全球風電發(fā)展報告顯示，1998—2011年，全球風電裝機容量都以20%以上的增長速度迅猛發(fā)展，截至2015年，全球風電裝機容量達432883MW，如圖1-2所示。由圖1-3可以看出，其中中國和美國占了一半的容量，除中、美之外尚有八個國家可被看作是全球主要風能市場，分別為德國、巴西、印度、加拿大、波蘭、法國、英國、土耳其。

全球風能協(xié)會（GWEC）發(fā)布的統(tǒng)計報告顯示，全球風力發(fā)電能力在2015年年底達到43242萬kW，較2014年年底增長17%，首次超過核能發(fā)電。

中國的可再生能源事業(yè)發(fā)展迅猛，風力發(fā)電規(guī)模已占全球的約三成。在中國的引領下，亞洲的新增風電裝機容量連續(xù)多年超過歐洲和北美洲。到2014年年底，亞洲的累計風電裝機容量也首次超過了歐洲，位居世界第一位。2015年中國風電并網(wǎng)裝機容量超過1億kW，居全球首位。預計未來五年間，以中國為首的亞洲仍然是增長的主動力，亞洲裝機增量有望達到140GW，其中中國有望保持每年25GW以上的裝機容量。這說明全球風電產(chǎn)業(yè)的重心已經(jīng)從歐洲移到了亞洲。除中國以外，東歐和南歐國家的風電裝機容量也呈現(xiàn)顯著增長趨勢。

由于陸地資源的逐漸稀少，而海上風能資源具有儲量豐富、風速穩(wěn)定、對環(huán)境的負面影響較少等優(yōu)點，同時，海上風電的風電機組距離海岸較遠，視覺干擾很小；允許機組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機量，可以大規(guī)模開發(fā)，一直受到風電開發(fā)商的關注，因此，海上風電的發(fā)展呈現(xiàn)出一派繁榮景象。但是，海上風電也存在施工困難、對風機質(zhì)量和可靠性要求高等問題。

世界上第一個海上風電場于1991年建于丹麥，由于海上風電的建設難度較大、維護成本高，世界海上風電的建設一直停滯不前。2008年以后，歐洲的海上風電建設開始逐步進入蓬勃發(fā)展階段，2008年和2009年，世界海上風電新增容量連續(xù)兩年超過50萬kW。2014年，全球新增海上風電裝機容量1720MW，比2013年同比增長5.46%。

據(jù)統(tǒng)計，2015年海上風電累計裝機容量為12055MW，新增裝機容量3856.1MW，相當于之前三年的新增裝機容量總和。到2015年年底，歐洲累計安裝3230臺海上風電機組，裝機容量達到11027.3MW。包括在建的風電場在內(nèi)，歐洲目前共有84個海上風電場，分布于11個國家。其中，英國的裝機容量居首，為5060.5MW，占比45.9%；德國僅次于英國，達到3294.6MW，占比29.9%；丹麥居第三位，為1271.3MW，占比11.5%；緊隨其后的是比利時（712.2MW,6.5%）、荷蘭（426.5MW,3.9%）、瑞典（201.7MW,1.8%）、芬蘭（26MW,0.2%）、愛爾蘭（25.2MW,0.2%）、西班牙（5MW,0.05%）、挪威（2MW,0.02%）、葡萄牙（2MW,0.02%）。2016年預計海上風電裝機容量將有所下滑，但全球海上市場在2015—2024年的長期發(fā)展中仍將保持19%增長率的強勁態(tài)勢，發(fā)展動力主要源于歐洲核心市場及中國。截至2024年年末，預計累計海上風電裝機容量將達92GW，占全球風電總裝機容量的10%。

從水域分布而言，歐洲海上風電總裝機容量中的69.4%集中在北海，達到7656.4MW；愛爾蘭海的裝機容量為1943.2MW，占比17.6%；波羅的海的裝機容量為1420.5MW，占比12.9%；另有7MW的機組吊裝在大西洋。

2010—2015年，海上風電機組單機容量增加41.1%。2015年，新吊裝機組的平均單機容量為4.2MW，比2010年的3MW有了顯著提高，這反映出一定周期內(nèi)為提升海上風電產(chǎn)出而在機組技術方面做出的持續(xù)性改進。2015年，4～6MW的風力發(fā)電機組得以投用，而到2018年年底，7～10MW的風力發(fā)電機組將會被逐漸引入到海上風電場中。

從世界風能報告中可以看出，全球金融危機的大背景下，近10年風力發(fā)電仍保持了快速發(fā)展的勢頭，再次證明，風電產(chǎn)業(yè)不但已經(jīng)成為世界能源市場的重要力量，而且在拉動經(jīng)濟增長和創(chuàng)造就業(yè)方面，也發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，在經(jīng)過高速發(fā)展后一些國家的發(fā)展速度開始有所放緩，且隨著技術的發(fā)展，新的問題也隨之出現(xiàn)，如并網(wǎng)運行和最大效益地利用風能等問題。

1.2.2 全球風電產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展及趨勢

縱觀世界風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)實和前沿技術的發(fā)展，目前全球風電制造技術發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點：

（1）水平軸風力發(fā)電機組技術成為主流。水平軸風力發(fā)電機組技術因其具有風能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風力發(fā)電機組上更顯出經(jīng)濟性等優(yōu)點，使水平軸風力發(fā)電機組成為世界風電發(fā)展的主流機型，并占到95%以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風力發(fā)電機組因轉(zhuǎn)軸過長，風能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應用數(shù)量有限，但由于其全風向?qū)︼L、變速裝置及發(fā)電機可以置于風輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關研究和開發(fā)也在不斷進行，并取得一定進展。

（2）單機容量持續(xù)增大。近年來，世界風電市場中風力發(fā)電機組的單機容量不斷增大。世界上主流機型已經(jīng)從2000年的500～1000kW增加到2015年的4～6MW，丹麥預計在2018年投產(chǎn)180m（世界上最高）高度的、每個葉片長度達88.4m的8MW風力發(fā)電機組，足以滿足10000個家庭的用電需求。近年來，海上風電場的開發(fā)進一步加快了大容量風力發(fā)電機組的發(fā)展，2007年年底世界上已運行的最大風力發(fā)電機組單機容量已達到6MW，風輪直徑達到127m。2012年已經(jīng)開始8～10MW風力發(fā)電機組的設計和制造。容量增大必然要求葉片更長、重量更輕、塔架更高、結(jié)構更柔，為結(jié)構的設計和材料提出更大的挑戰(zhàn)。

（3）變槳變速功率調(diào)節(jié)技術得到廣泛采用。由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有荷載控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點，近年在大型風力發(fā)電機組上得到了廣泛采用。2006年，全球92%的風力發(fā)電機組中采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國2007年安裝的兆瓦級風力發(fā)電機組中，也都是變槳距機組。2MW以上的風力發(fā)電機組大多采用三個獨立的電控調(diào)槳機構，通過三組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環(huán)控制。

（4）近海風電技術成為重要發(fā)展方向。由于海上風能資源比陸地上好，風速比沿岸陸地上約高25%，湍流強度小，且有穩(wěn)定的主導風向，能夠減小機組疲勞荷載，延長壽命。對于陸上風力發(fā)電機組占用土地、影響自然景觀、噪聲、對周圍居民生活帶來不便以及運輸?shù)睦щy等問題都可以比較好地解決，因而，海上風電場近幾年來得到很高的重視，也成為風電發(fā)展的主方向。

（5）標準與規(guī)范逐步完善。德國、丹麥、荷蘭、美國、希臘等國家加快完善了風電技術標準，建立了認證體系和相關的檢測和認證機構，同時也采取了相應的貿(mào)易保護性措施，如歐盟對風力發(fā)電的電磁兼容問題實施了強制標準，德國即將實施的風電新標準要求接入電網(wǎng)的風電設備在電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時能提供較大的短路電流，這一規(guī)定使德國Enercon公司在競爭中保持了主動地位。自1988年國際電工委員會成立了IEC/TC88“風力發(fā)電技術委員會”以來，到目前已發(fā)布了10多項國際標準，這些標準絕大部分是由歐洲國家制定的，是以歐洲的技術和運行環(huán)境為依據(jù)編制的，也為保證產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)范風電市場、提高風力發(fā)電機組的性能和推動風電發(fā)展奠定了重要基礎。

1.2.3 國內(nèi)風電現(xiàn)狀、發(fā)展前景及存在的問題

中國現(xiàn)代風電技術的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初，經(jīng)過單機分散研究、示范應用、重點攻關、實用推廣、系列化和標準化幾個階段的發(fā)展，無論科學研究、設計制造、還是試驗示范、應用推廣等方面均取得了長足的進步，并取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。尤其近幾年，在國家的政策支持下，我國的風力發(fā)電技術保持著快速發(fā)展的強勁勢頭。

我國風能資源主要分布在西北、華北、東北等“三北地區(qū)”,2008年以來，在國家能源局的組織下，以各省（自治區(qū)、直轄市）和地區(qū)風能資源普查及風電建設前期工作為基礎，選擇甘肅、新疆、河北、內(nèi)蒙古東部地區(qū)、內(nèi)蒙古西部地區(qū)、吉林、江蘇沿海這七個風能資源最豐富的省（自治區(qū)）和地區(qū)，為其設立2020年的發(fā)展目標，共建成七個千萬千瓦級風電基地，分別為甘肅酒泉風電基地、新疆哈密風電基地、河北風電基地、內(nèi)蒙古東部風電基地、內(nèi)蒙古西部風電基地、吉林風電基地、江蘇沿海地區(qū)風電基地。

根據(jù)《中國風電發(fā)展路線圖2050》，我國并網(wǎng)風電發(fā)展分為四個階段：早期示范階段（1986—1993年）、產(chǎn)業(yè)化探索階段（1994—2003年）、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段（2004—2007年）和大規(guī)模發(fā)展階段（2008年至今）。2006年后，我國風電裝機容量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。2014年，中國（不包括臺灣地區(qū)）新增裝機容量23196MW，同比增長44.2%；累計裝機容量114609MW，同比增長25.4%。新增裝機容量和累計裝機容量兩項數(shù)據(jù)均居世界第一。2015年，中國新增裝機容量30500MW，同比增長31.5%；累計裝機容量1.45億kW，同比增長26.6%。2015年上半年，全國風電上網(wǎng)電量977億kW·h，同比增長20.7%。綜合上述數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)的現(xiàn)階段的風電發(fā)展已取得巨大的成就。

中國海上風電相對陸上風電發(fā)展緩慢。《中國風電發(fā)展路線圖2050》對我國水深5～50m區(qū)域的海上風能資源進行了詳細分析，根據(jù)對我國陸地和近海100m高度風能資源技術開發(fā)量的分析計算結(jié)果，我國近海水深5～50m范圍內(nèi)，風能資源潛在開發(fā)量達到500GW。中國海上風電從2007年起，在渤海灣安裝試驗樣機，直到2010年東海大橋102MW海上風電場建成，標志著中國首個真正意義上的海上風電場建成。截至2014年年底，我國海上風電累計裝機容量為658MW。據(jù)GWEC數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年中國風電新增裝機容量和累計裝機容量均位居全球之首，海上風電新增裝機容量和累計裝機容量分別位居全球第三和第四位。而截至2015年年底，中國海上風電裝機容量僅占全國風電裝機容量的0.7%。到2020年，預計我國風電總裝機容量達到2億kW，其中海上風電裝機容量達3000萬kW，年發(fā)電量達3900億kW·h，風電發(fā)電量在全部發(fā)電量中的比重超過5%。

我國風電發(fā)展主要存在幾個問題，即發(fā)電能力受風速限制較大、設備大型化及控制技術難度大和風電入網(wǎng)難。受材料限制，我國多數(shù)風力發(fā)電裝置在風速3m/s以下不能發(fā)電；風電葉片的基材多為玻纖增強環(huán)氧樹脂，臺風來襲時若不拆下葉片就會造成損壞。國內(nèi)風電的裝機容量很大，但折算發(fā)電能力滿負荷才2300h，利用率不足1/3。近海風電建設成本很高，要求至少是5MW的設備，最好是10MW，但我國技術還達不到國外的水平。自控技術、軸和葉片技術等大型化設備的技術差距制約了風電，特別是海上風電的發(fā)展。我國風電入網(wǎng)難，目前規(guī)定風電入網(wǎng)比例不能超過10%，其中一個重要因素就是受電網(wǎng)技術制約。

近年來，發(fā)生了多起風力發(fā)電機組事故，如在施工中塔架倒塌、運行時風力發(fā)電機機艙燒毀、大風時塔架基礎連根拔起、塔架倒塌、葉片損毀等，造成了很大的經(jīng)濟損失，這無疑為風電的發(fā)展敲響了警鐘。我們不僅要求發(fā)展速度，更要注重風電的質(zhì)量和維護，這樣，風電才能保持較好的發(fā)展勢頭。