1、从国外风电发展探讨我国风电发展思路20O6 年第 2 期水 tit,鲁批嘲设-V 总第 58 期从国外风电发展探讨我国风电发展思路郭太英黎发贵(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,贵州贵阳,550002)摘荽风能是一种可再生,无污染的能源,其储量巨大,将成为 21 世纪的三 l 三耍能源之一.本文从风能资源概况,国外风电发展现状,风电技术发展趋势,结合我国目前风电开发的实际情况,提出了我国发展风力发电的一些思路.关键词风能资源风力发电风电技术O 概况风是由于太阳照射到地球表面各处受热不同,产生温差引起大气运动而形成.风能的大小与风速的 3次方和空气密度成正比.尽管达到地球的太阳能仅有约 2%转
2、化为风能,但其总量十分可观.据世界气象组织(WMO)估计,全球风能储量约为 2.7410MW,其中可开发利用的风能总量约为 210MW,比全球可开发利用的水能总量还要大 lO 倍.地球上l%的风能若被利用就能满足全球能的源需求.我国在上世纪 8O 年代对全国风能资源进行了较全面普查,结果表明,我国风资源丰富区基本集中于两大风带:即从东北经内蒙到西北的“三北“ 风带和东,南沿海狭长地带及其岛屿.除此以外,某些有利的地形和局部区域还有若干分散的风能资源丰富区域.据中国气象科学研究院的专家预测,我国陆地离地面 lOre 高度层的平均风功率密度为 lOOW/m,风能资源理论总储量约为 32.26 亿
3、kW,经济可开发利用量约为 2.53 亿 kW;海上风能可开发利用量按陆地的3 倍估算,约为 7.5 亿 kW;共计 lO 亿 kW,大于我国的水能资源总量.风能是清洁的可再生能源.开发利用风能,不会造成大气和环境污染,亦不破坏生态环境.风能是由太阳能转化而来,因而取值不尽,用之不竭.与水能相比,具有以下优点:(1)风力发电占地少,不存在水库淹没和移民问题,风电机组与监控等建筑占地仅占风电场总面积的1%,其余场地可作原用途;(2)工程结构设计相对简单,建设周期较短.l 台风力发电机组从运输到安装一般不超过 3 个月,一个50MW 以下的风电场建设周期般在 1 年左右 Is;2n(3)风力发电装
4、机规模灵活,运行简单,可完全做到无人职守.正是由于以上风电的诸多优点,近年来风力发电愈来愈受到国内外政府和投资商们的高度重视,正逐步发展成为初具规模的新兴产业.1 国外风电发展状况1.1 风电工业高速发展风电是比较年轻而发展迅速的工业.在过去的lO 年间,风电发展不断超越其预期发展速度,而且一直保持着世界增长最快的能源地位.1998 年到 2004年的几年中,全球风电装机容量年平均增长率为35.67%.2004 年全球有超过 8312MW 的新增风电装机容量并入电网系统;2004 年末,全球风电装机容量达到 47616MW.欧洲风能协会和绿色和平组织在近期的一份报告中指出,到 2020 年风力
5、发电将占世界电力总量的 12%,届时世界风电的装机容量将达到1231GW,发电量约为 30000 亿 kW?h.2004 年世界累计风电装机最多的 lO 个国家见表 1.表 12004 年世界累计风电装机最多的 lO 个国家单位:万 kW德国西班牙美国丹麦印度意大利荷兰日本英国中国l663826674312299113108908976资料来源:丹麦 BTM 咨询公司国外风电工业近年来得到高速发展,其主要原因有以下几方面:作者简介:郭太英(1978 一),女,四川内江人,助理工程师,主要从事水利水电工程及新能源的规划设计工作.黎发贵(1964 一), 男,湖南省新宁县人,高级工程师,主要从事水
6、电水利及新能源的规划设计工作.2006 年第 2 期水电勘测设计总第 58 期(1)政府的大力扶持.由于来自于改善环境的压力,国外纷纷将风力发电作为减少二氧化碳等气体排放的有效措施,制定了一系列鼓励发展风电的政策.如德国,丹麦,西班牙等国都制定了比较高的风电收购电价,使风电保持了稳定,高速增长.(2)风电技术日趋成熟.在风能资源测试与评估方面,国外已开发出了很多先进的测试设备和软件;在风电场选址,风电机组布局及电力输配电系统等方面,也已经开发出了一些成熟的软件;在风电机组设备制造方面,由于新技术的应用,风能利用效率越来越高,单机容量越来越大.(3)风电成本进一步降低.尽管风电成本受很多因素的制
7、约,但其发展趋势是逐步下降;随着风电技术的改进,风电机组越来越便宜和高效;同时,随着融资成本的降低和开发商经验的丰富,项目开发的成本也相应降低;风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的成本;在欧洲风电成本由 20 世纪 80 年代初的l5.8 欧分/kw?h 下降到目前约 4 欧分/kw?h, 预计2010 年降至 3 欧 Yt/kW?h,2020 年降低至 2.34 欧分_/kW?h.1.2 海上风电悄然兴起海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,使得近海风力发电成为近年来研究和应用的热点.兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势.到 2003 年末,欧洲海上风电总装机容量600
8、MW.预计到 2010 年,欧洲海上风电的装机容量将达到 10000MW.目前最大的海上风电场是位于丹麦海岸 Nysted 风电场,容量为 165.6MW,由 72 台 Bo-nus2.3MW 海上风电机组组成.2 风电技术发展现状风力发电技术主要分为风能资源评估与预测,风力发电装备制造技术,风电机组测试,近海风电技术,风电对公共电网的影响等几个方面.2.1 风能资源的测试与评估国外已经对风能资源的测试与评估开发出了很多先进的测试设备和评估软件,在风电场选址方面已经开发了商业化的软件.如丹麦 RIS 中国家实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件 Wasp;美国 TrueWindSol
9、utions 公司开发的 MeosMap 和 Site-Wind 风能资源评估系统等.在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发了成熟的软件.国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测做了很多研究,精确度可达 90%以上.2.2 风力发电装备制造技术(1)风电机组单机容量继续稳步上升.20 世纪 80年代生产的旧式风电机组单机容量仅 2060kW,而今天在风电市场上销售的商业化机组单机容量一般为 6002500kW.预计 2010 年将开发出 10MW 的风电机组.(2)风能输出功率控制方式有失速调节和变桨调节两种.失速控制不需要复杂的控制程序,在失速过程中功率波动小,但其启动风速较高,在风
10、速超过额定值时发电功率有所下降;同时需要叶尖刹车装置,机组动态负荷较大.变桨距调节机组启动性能好,输出功率稳定,机组结构受力小,停机方便安全,但增加的变桨距装置提高了故障几率,控制程序比较复杂.两种控制方式各有利弊,各自适应不同的运行环境和运行要求.从目前市场情况看,采用变桨距调节方式的风电机组居多.(3)变速运行与恒速运行.目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构(4 极/6 极)的异步发电机.在高风速段,发电机运行在较高转速上,4 极电机工作;在低风速段,发电机运行较低转速上,6 极电机工作.变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机.双馈电机的转子侧通过功率变换器(一
11、般为双 PWA 交直交型变换器)连接到电网.该功率变换器的容量仅为电机容量的 1/3,并且能量可以双向流动.多极同步发电机的定子侧通过功率变换器连接到电网,其功率变换器的容量要大于等于电机的容量.变速运行方式通过控制发电机的转速,能使风力机的叶尖速比接近最佳值,从而最大限度的利用风能,提高风力机的运行效率.(4)无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大.齿轮传动不仅降低风电转换效率并且产生噪音,更是造成机械故障的主要原因,为减少机械磨损还需要润滑清晰等定期维护.采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高的设计成本,但却有效提高了系统的效率以及运行可靠性.德国 Enercon 公司在开发直驱发电机方面居于领先地位,该
12、公司已批量生产 1.8MW 的直驱发电机组,2120O6 年第 2 期水电勘测设计总第 58 期并正在试验 4.5MW 的原型机.2.3 风电机组测试技术德国,丹麦,西班牙,荷兰,美国,希腊等国家在风电机组的设计和测试技术方面都做过很多研究,制定了国际标准,建立了认证体系,并都有自己的检测机构,其他国家的产品只有通过其检测才能进入.我国对风电机组的测试技术做过一定研究,但不系统.2.4 近海风电技术基于海上及陆地风电机组的不同叶尖速比设计.由于海上大型风电机组对噪音的要求较低,采用较高的叶尖速度可降低机舱的重量和成本.国外除根据海上特点对海上风电机组进行特别设计和制造外,在海上风电场的建设方面
13、也做了很多工作,包括对海上风电场的风能资源测试评估,风电场选址,基础设施及施工,风电机组安装等做了深人研究,开发出专门的海上风能资源测试设备及安装海上风电机组的海上安装平台.2.5 风电与电网风力发电能够顺利并入国家电网或地区电网的电量,主要取决于电力系统对供电波动反应的能力.变化不定的风力给电网带来的问题,远比怀疑者估计的低.很多涉及到现代欧洲电网系统的评估表明.电网系统中风电容量占 20%并不存在技术问题.但是,当大规模的风电并人电网以后,风电与电网之间的相互影响及相互作用规律还需要进一步研究.3 我国风电发展思路在电力建设中,我国的发展方针是“优化发展煤电,优先发展水电,积极发展核电,加
14、快发展气电,鼓励发展风电“.风能是清洁能源 ,扩大风力发电在我国电能结构所占比重将是保护环境,减少大气污染的重要举措.2O 世纪 9O 年代以来,我国并网风力发电厂装机容量以平均每年 30%左右的幅度递增,截止到 2005 年底.全国风能资源丰富的 l5 个省,市,特别行政区及自治区(除台湾省外)已建成风电场59 座,累计运行风力发电机组 1869 台,总容量达1246.315MW(以完成 2005 年 12 月 31 日整机吊装作为统计依据,去掉了 26 台退役机组,1 个风电场).我国近年风力发电发展状况见表 2(来源于中国风力发电网).22寰 2 我国近年风力发电发展状况统计裹年份 20
15、o12O0220o320o42005电力总装机(百万 kW)338.5356.6391.4440.0512.7我国风电装机(MW)399.3469.7567.0764.41246.3风电所占比例(%)0.1l9O.125O.1450.1740.243世界风电装机(MW)24Oo03lOo0 加 3004.731752567从表 2 可以看出,中国风电发展迅速,但与国外风电发展相比,仍然还十分落后.我国风能发电的发展规划明确了国家风力发电的中长期目标,每年新增风电装机 300kW,投资近 240 亿元.目前风电场造价成本约为 8000 元-9000r./kW, 风能年利用小时数在2700320o
16、h,风电成本约 0.45O.6 元,随着技术的进步,其成本还有望更进一步降低.风电场运行成本费用低,一般风电机组寿命在 20 年以上,风电场一旦建成,就可以成为不断创造利润的源泉.因此,风电市场潜力是很大的.3.1 加大政府引导和扶持力度国际上一些风电产业发展较好的国家,在起步之初都无一例外地得到了国家政府在政策上的大力扶持.丹麦实施产业激励政策,德国采取高额补贴政策,荷兰有绿色电价与减征增值税相结合的政策,应该推行招标竞争与电费加价相结合的政策.美国给予风电开发者的优惠政策是,购买设备完全免税,投产后减免部分生产税,每发 lkW?h 电减税 1.5 美分.在印度,风电设备制造业和风电业增值税
17、全免,工业企业利润用于投资风电的部分可免交 36%所得税; 同时还专门成立了再生能源投资公司,为新能源开发提供低息贷款并帮助新能源产业开发进行融资.印度电力法还规定,新能源发电至少要占发电总量的10%,并实行电价优惠.我国风电起步较晚,可喜的是,政府已制定了一系列政策和法规来扶持风电发展.2005 年 2 月可再生能源法的制定,为中国风电发展奠定了坚实的基础.其核心内容体现为:电网企业要全额收购可再生能源发电项目的上网电量;价格主管部门要制定有利于可再生能源发展的经济合理的上网电价;可再生能源高于常规能源的平均上网电价的部分,电网企业在销售电价中平摊.随着一系列扶持风电发展的政策出台,风电市场
18、2006 年第 2 期水电勘测设计总第 58 期呈现出良好的发展势头,已具备走向产业化的基本条件,但由于电价,关税,贷款,税收等优惠政策与扶持措施不到位.投融资机制尚未建成,服务体系也还不健全,市场自然成长不起来.所以,要加大风电的扶持力度,必须将工作具体做到实处.建议我们国家一方面可以借鉴国外政府 r 的先进经验,另一方面要结合我国的实际情况制定符合国情的风电发展政策和激励机制.(1)参照国外的“绿色配额“制度,要求电网公司必须采购一定量的风电,实行多购多奖,少购处罚的办法,将其采购比例按国家风能的规划测算,并允许将这部分成本摊人电价;(2)合理测算风力发电的上网电价,降低风力发电设备进口关
19、税,和风力发电经营的增值税率.现在大型风力发电关键机组设备进口关税 24%一 3l%,进口设备成本太高.在还没有自主研发大型风电机组的条件下,建议将进口关税包括进口环节增值税降到10%以下 .(3)降低贷款利率,延长还贷期限.作为国家鼓励发展的新兴企业,风力发电一直按照一般竞争性领域固定资产投资贷款政策,贷款利率无优惠,还贷期限太短,规定为 7 年,造成项目建成后还贷压力,财务费用高的局面,进而形成风电的高电价,使风电的市场竞争力削弱.风电项目建设一次性投人大,风机寿命在 20 年,风力发电又是新兴产业,规模小,本着扶持的原则,建议将风电项目贷款期适当延长至 l5 年到 20年,真正起到贷款扶
20、持的作用.3.2 进一步推进风电机组国产化风电机组投资占风电场建设总投资的 70%以上,在很大程度上决定着风电成本的高低.以前,我国风力发电机组主要从丹麦,德国,荷兰引进,现在 200kW一300kW 级风电机组国产化率已超过 90%,600kW 机组国产化率已达 80%,但是兆瓦级及数兆瓦级风力发电机组技术一直被国外垄断.我国风电的产业化发展需要从大风电市场人手,以规模化效应降低建设成本.但是,由于目前国家进 IZl 关税减办优惠政策只是针对于 300kW 以下的小机组 ,因此,大,中型的风电机组设备进 IZl 价格太高,风电成本居高不下,这也是阻碍我国风电发展的主要因素.因此,要降低风电成本,提高其在市场中的竞争力,需从研究风电机组制造技术,实现大中型机组的国产化人手,主要包括以下几个方面:(1)兆瓦级及数兆瓦级风电机组的整体设计,整机组装关键技术研究及关键部件的设计制造技术.这将直接决定着我国风电产业规模化发展的进程.(2)对引进大型风电机组技术的消化吸收,开发具有自主知识产权的兆瓦级变桨距变转速风电机组技术;(3)在风电机组的总体设计,整机轻量化,主要部件制造和控制系统的开发方面提高自主开发和制造能力.风电机组国产化,一方面可以提高国内风电机组研究,制造,安装技术,另一方面,在引进国外先进风
