風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)的興起

風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)的興起

1用電源的確定在過(guò)去30年的努力下，中國(guó)在充分利用風(fēng)動(dòng)力資源和建設(shè)風(fēng)電站方面取得了很大進(jìn)展。風(fēng)力發(fā)電(簡(jiǎn)稱風(fēng)電)已開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展階段。風(fēng)電在中國(guó)的興起是有其深刻背景的。首先,從我國(guó)的能源形勢(shì)來(lái)看,有大規(guī)模利用風(fēng)能的必要。中國(guó)能源資源總量比較豐富,但人均相對(duì)不足,現(xiàn)已探明的能源儲(chǔ)量?jī)H為世界人均值的二分之一。其中煤炭?jī)?chǔ)量為8740億t,但經(jīng)濟(jì)開(kāi)采量?jī)H為502億t,再過(guò)四十年,我國(guó)的煤炭開(kāi)采將愈來(lái)愈困難;我國(guó)的石油、天然氣資源,預(yù)計(jì)再過(guò)80年也將枯竭;我國(guó)水電資源雖居世界首位,可開(kāi)發(fā)容量達(dá)3.78億kW,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)利用的只有8%左右,應(yīng)當(dāng)加快開(kāi)發(fā),但尚未開(kāi)發(fā)的水電資源卻大多在西部,如西藏有55×106kW,雅礱江、大渡河、瀾滄江和怒江等西南三大峽谷內(nèi)有30×106kW,因受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等因素的制約,開(kāi)發(fā)的難度很大;而我國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源高達(dá)2.53億kW,這是一種可再生的、取之不盡的新能源,無(wú)疑是未來(lái)能源的一個(gè)重要組成部分。另外,發(fā)展風(fēng)電也是環(huán)保的需要。隨著氣候變化及環(huán)境壓力的增大,改變能源結(jié)構(gòu),減少排放,保護(hù)環(huán)境已成人們共識(shí)。在目前的發(fā)電手段中,燃煤發(fā)電除大量的二氧化碳排放污染外,還有二氧化硫和氮氧化物排放達(dá)標(biāo)等問(wèn)題,而脫硫脫氮的成本比較高;用石油、天然氣發(fā)電也有溫室效應(yīng);核能發(fā)電應(yīng)該說(shuō)是一種比較好的發(fā)電手段,我國(guó)無(wú)疑也要走這條路,但由于前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故、美國(guó)三里島核泄漏及日本出現(xiàn)的核泄漏事故,導(dǎo)致核電的形象欠佳;大水電的開(kāi)發(fā)在國(guó)際上也頗有爭(zhēng)議,因其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較大,曾有一些專家提出:由于建水庫(kù)淹沒(méi)了綠地,削弱了地面的光合作用,相當(dāng)于增加了二氧化碳的含量。而風(fēng)力發(fā)電與這些發(fā)電手段相比,無(wú)疑是一種潔凈的、安全的和具有良好環(huán)境效益的新能源。當(dāng)然風(fēng)力發(fā)電也存在著噪音污染等問(wèn)題,不過(guò)一般風(fēng)電場(chǎng)距離居民區(qū)較遠(yuǎn),影響不大?？梢?jiàn),風(fēng)能在保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面都有明顯的優(yōu)勢(shì),它是一種綠色能源。風(fēng)電之所以在新能源中能脫穎而出,還在于風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步,單機(jī)容量越來(lái)越大,風(fēng)電的成本已低到可以和常規(guī)能源相比較了。而其它新能源,如太陽(yáng)能、海洋能等,發(fā)展不如風(fēng)電快,就是因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)電成本太高。2干旱西北風(fēng)和北南風(fēng)中國(guó)位于亞洲大陸的東南,瀕臨太平洋西岸,季風(fēng)強(qiáng)盛。季風(fēng)是中國(guó)氣候的基本特征。冬春季西伯利亞和蒙古冷高壓氣流南下,冷空氣活動(dòng)頻繁,所形成的干旱西北風(fēng)經(jīng)蒙古高原刮向內(nèi)陸,它在華北可持續(xù)6個(gè)月,在東北則長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月之久。夏季是來(lái)自太平洋的東南風(fēng)和印度洋的西南風(fēng),其中東南季風(fēng)的影響范圍遍及中國(guó)東部,而西南季風(fēng)則影響西南各省,但風(fēng)速遠(yuǎn)不及東南季風(fēng)大。此外,青藏高原受高空氣流影響,冬季盛行西南偏西大風(fēng),但隨高度的下降多為東南風(fēng)。根據(jù)全國(guó)有效風(fēng)能密度分布情況,以及大于3m/s和大于6m/s風(fēng)速出現(xiàn)的總小時(shí)數(shù),可以把全國(guó)分為5類(lèi)地區(qū)。(1)最佳風(fēng)能區(qū)域特區(qū),風(fēng)速有520h以上東南沿海及其島嶼為我國(guó)最佳風(fēng)能資源區(qū)。有效風(fēng)能密度在200W/m2以上,大于3m/s風(fēng)速全年有6000~8000h,大于6m/s風(fēng)速也有3500h以上,其最佳風(fēng)能區(qū)是海岸線附近的幾十公里地帶。而我國(guó)風(fēng)能最大的地方也在這一區(qū)域的海島上,如臺(tái)山、平潭、大陳、嵊泗、澎湖等,風(fēng)能密度可達(dá)500~550W/m2左右,有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間為90%以上,風(fēng)速大于3m/s全年累計(jì)時(shí)間可達(dá)8000h,也就是說(shuō)平均每天出現(xiàn)3m/s以上風(fēng)速的時(shí)間達(dá)21~23h。因此,在這些島嶼、海岸線及其淺灘和沿海內(nèi)陸千米左右的山頂上發(fā)展風(fēng)電場(chǎng)是大有可為的。(2)風(fēng)速增大,但大小最大的風(fēng)速渤海沿岸、內(nèi)蒙古、甘肅北部以及新疆阿拉山口等為風(fēng)能次大區(qū)。這三個(gè)地區(qū)風(fēng)能密度也在200W/m2左右,風(fēng)速大于3m/s的時(shí)間全年有6000h,但大于6m/s的時(shí)間比東南沿海少1000多h,即在2200~2500h。這些地區(qū)雖然地形比較平坦,風(fēng)能密度梯度不象東南沿海那樣大,但所遍及的范圍廣,這也是風(fēng)能利用的一個(gè)有利條件。(3)風(fēng)能較大區(qū)區(qū)域黑龍江南部、吉林東部和遼東、山東半島為風(fēng)能較大區(qū)。風(fēng)能密度在200W/m2以上,風(fēng)速大于3m/s的時(shí)間達(dá)5000~6000h,大于6m/s約為2000h。(4)東部下風(fēng)能過(guò)渡區(qū)青藏高原的北部,東北、華北與西北地區(qū)的北部和江蘇、浙江的東部,風(fēng)能由較大區(qū)過(guò)渡到最小區(qū),簡(jiǎn)稱過(guò)渡區(qū)。這三個(gè)地區(qū)風(fēng)能密度在100~150W/m2之間,風(fēng)速大于3m/s的時(shí)間有2000~4000h,大于6m/s約為2000h。(5)風(fēng)能匱乏區(qū)的劃分云貴川、甘肅、陜西、豫西、湘西、鄂西和福建、廣東、廣西的山區(qū)以及塔里木盆地、雅魯藏布江谷地為風(fēng)能貧乏區(qū)。這些地區(qū)風(fēng)能密度在50W/m2以下,風(fēng)速大于3m/s的時(shí)間在2000h以下,大于6m/s的在150h以下。3大型風(fēng)力機(jī)在國(guó)內(nèi)、外運(yùn)用的部分進(jìn)展我國(guó)從上世紀(jì)50年代就開(kāi)始了風(fēng)力發(fā)電的研究和試驗(yàn)。70年代中期,內(nèi)蒙古進(jìn)行了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的試制和使用。1978年,原水利部將研制風(fēng)力發(fā)電設(shè)備列為國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目,1983年又開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)電的試點(diǎn)和推廣。進(jìn)入90年代,風(fēng)力發(fā)電開(kāi)始由試驗(yàn)階段步入商業(yè)化發(fā)展階段,并形成了“大、中、小”一起上的局面。它不僅解決了電網(wǎng)沒(méi)有到達(dá)的海島、牧區(qū)、邊防哨所的生活、生產(chǎn)用電問(wèn)題,還逐漸成為大電網(wǎng)中一支令人矚目的方面軍。3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)入90年代以后,我國(guó)在大型(并網(wǎng)型)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化方面取得了有效的進(jìn)展。浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院研制的200kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,于1997年4月通過(guò)了國(guó)家級(jí)技術(shù)成果鑒定,同年12月又完成了中試樣機(jī)的研制。由上海藍(lán)天公司主持研制的300kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,1998年初在南澳風(fēng)電場(chǎng)投入并網(wǎng)運(yùn)行,目前運(yùn)行情況良好。在600kW風(fēng)力機(jī)研制方面,由國(guó)家科委立項(xiàng),新疆風(fēng)能公司、浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院等單位主持的大型風(fēng)力機(jī)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目也邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。在我國(guó)無(wú)論是已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的200kW和300kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,還是正在研制的600kW機(jī)組,都是在引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其中由浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院研制的200kW風(fēng)力機(jī),在參考國(guó)外150kW機(jī)型的基礎(chǔ)上,為便于國(guó)產(chǎn)化,又做了重新設(shè)計(jì),目前該型機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了95%(僅控制器模塊進(jìn)口);上海藍(lán)天公司研制的300kW風(fēng)力機(jī),除控制系統(tǒng)外也全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。600kW機(jī)組的技術(shù)正在通過(guò)多種方式引進(jìn),一種是支付技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)購(gòu)進(jìn)全套制造技術(shù),再經(jīng)過(guò)自主開(kāi)發(fā)逐步完善,提供商業(yè)化產(chǎn)品。如1996年航天工業(yè)總公司購(gòu)買(mǎi)奧地利Pier公司和1997年新疆風(fēng)能公司購(gòu)買(mǎi)了德國(guó)Jacobs公司600kW風(fēng)電機(jī)的制造技術(shù)。另一種是通過(guò)技貿(mào)結(jié)合的方式購(gòu)進(jìn)一批成熟的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,同時(shí)引進(jìn)制造技術(shù),嚴(yán)格按照原裝部件標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn),逐步提高部件的國(guó)產(chǎn)化率。如1995年國(guó)家經(jīng)貿(mào)委利用技改經(jīng)費(fèi),在“雙加工程”中列入“新能源示范工程”,提供專項(xiàng)貸款,以技貿(mào)結(jié)合的方式為內(nèi)蒙古和浙江各引進(jìn)了33臺(tái)600kW機(jī)組,合同中還包含主機(jī)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)讓,先從組裝33臺(tái)600kW機(jī)組開(kāi)始,再逐步提高國(guó)產(chǎn)化程度,這為我國(guó)下一步自行研制、開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組積累了經(jīng)驗(yàn)。4風(fēng)能資源豐富,產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)凸顯隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),風(fēng)能資源及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展日益受到各國(guó)政府及國(guó)際組織的重視,各國(guó)紛紛制訂了雄心勃勃的發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富,經(jīng)過(guò)多年的推動(dòng),已獲得了較大發(fā)展,形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。由于種種原因,從2000年開(kāi)始我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展步伐明顯減緩,商業(yè)化進(jìn)程受阻。對(duì)此,我們應(yīng)高度重視,在提高設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度的同時(shí),抓緊制訂相關(guān)的政策,并迅速建立起風(fēng)電的消費(fèi)市場(chǎng)和銷(xiāo)售機(jī)制,以促使風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)的健康發(fā)展。4.1風(fēng)/柴聯(lián)合供電從80年代起,一些發(fā)達(dá)國(guó)家在興建并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí),開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的研究和試驗(yàn)工作,并獲得了初步成功。國(guó)際能源界普遍認(rèn)為這種運(yùn)行方式對(duì)用電量不大但以柴油發(fā)電為電源的地區(qū)實(shí)行局部獨(dú)立供電,既可獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng),又能充分利用風(fēng)能,還具有顯著的節(jié)油效果,是風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要方向。我國(guó)在一些大電網(wǎng)還難以普及的邊遠(yuǎn)地區(qū),主要是靠柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)進(jìn)行局部供電的。但柴油發(fā)電存在著電價(jià)偏高、供電質(zhì)量和可靠性較差等問(wèn)題,不利于當(dāng)?shù)厣鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此,在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)(如沿海島嶼與“三北”地區(qū)的邊疆地帶)實(shí)行風(fēng)/柴聯(lián)合供電,將具有良好的社會(huì)與環(huán)境效益。正是基于這種認(rèn)識(shí),“風(fēng)力發(fā)電/柴油發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)”被我國(guó)政府列為“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的一個(gè)重要專題,并分為10kW、20kW、30kW及55kW級(jí)4個(gè)子專題,國(guó)家已經(jīng)投入了大量的人力、物力和財(cái)力,應(yīng)加大力度使其盡快商業(yè)化,以滿足社會(huì)的需求。4.2國(guó)內(nèi)風(fēng)電開(kāi)發(fā)和運(yùn)行所需資源我國(guó)風(fēng)能資源豐富,實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用的儲(chǔ)量為2.53×108kW。西北、東北、華東和華南沿海、近海島嶼及沿海內(nèi)陸千米左右的山頂都具備建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的條件,開(kāi)發(fā)潛力巨大。如內(nèi)蒙古自治區(qū)的風(fēng)能儲(chǔ)量高達(dá)1.01億kW,居全國(guó)各省(市、自治區(qū))之首,大中型風(fēng)電場(chǎng)資源有近20處之多,其中正在開(kāi)發(fā)的輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃裝機(jī)容量為120萬(wàn)kW,具備國(guó)家級(jí)大型風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)條件。在沿海地區(qū)風(fēng)能的季節(jié)分布還可與水電資源形成互補(bǔ)?？梢?jiàn),在我國(guó)發(fā)展風(fēng)電既有豐富的資源條件,又有以往成功的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)外先進(jìn)成熟的技術(shù)可借鑒,同時(shí)風(fēng)電本身還有其它發(fā)電方式所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),如建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活、不消耗燃料、不污染環(huán)境、不淹沒(méi)土地等,我國(guó)應(yīng)該大力發(fā)展。在部分發(fā)達(dá)國(guó)家(如丹麥),風(fēng)電占電網(wǎng)總?cè)萘恳殉^(guò)5%。而我國(guó)風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比重至今仍很小,國(guó)家應(yīng)將風(fēng)電的開(kāi)發(fā)納入我國(guó)電力發(fā)展的總體規(guī)劃之中,但考慮我國(guó)國(guó)情和風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的情況,以電網(wǎng)容量的1%作為2010年風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展目標(biāo)是適宜的。值得注意的是我國(guó)在開(kāi)發(fā)陸域和島嶼風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí),應(yīng)借鑒德國(guó)、丹麥等風(fēng)電開(kāi)發(fā)先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),積極開(kāi)展海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的調(diào)研和規(guī)劃,為可持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。4.3交流交流轉(zhuǎn)速恒頻發(fā)電系統(tǒng)cp在風(fēng)力發(fā)電中,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí),要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)頻率保持一致,即頻率保持恒定。恒速恒頻即為在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中,保持風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速(也就是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變,從而得到恒頻的電能;在發(fā)電過(guò)程中風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化,而通過(guò)其它控制方式來(lái)得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比,當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時(shí),如果允許風(fēng)車(chē)作變速運(yùn)行,則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車(chē)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù)Cp來(lái)表示,Cp可在某一確定的風(fēng)輪周速比(槳葉尖速度與風(fēng)速之比)下達(dá)到最大值。恒速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速保持不變,而風(fēng)速又經(jīng)常在變化,顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)車(chē)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速可變,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?使風(fēng)車(chē)的周速比處于或接近最佳值,從而最大限度地利用風(fēng)能?？捎糜陲L(fēng)力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的類(lèi)型很多,如交-直-交系統(tǒng)、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn),也有不足之處。如交-直-交變換系統(tǒng)存在的逆變側(cè)諧波問(wèn)題,要想在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用,應(yīng)將電力電子裝置與發(fā)電機(jī)緊密地結(jié)合在一起,以減少電力電子裝置的諧波,而發(fā)電機(jī)本身也應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)量少等特點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電裝置的研制與國(guó)外相比有較大差距,我國(guó)較大容量的風(fēng)電裝置絕大多數(shù)是從國(guó)外進(jìn)口的。但不管是國(guó)外進(jìn)口的,還是國(guó)內(nèi)自制的較大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)均為異步發(fā)電機(jī),不能做到變速恒頻發(fā)電,即不能有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能,也就是說(shuō)風(fēng)能的利用率較低。因此,非常有必要在理論上和實(shí)踐上對(duì)風(fēng)力發(fā)電中的變速恒頻技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究,使我國(guó)在這方面的研究與國(guó)際水平同步,開(kāi)發(fā)出適合風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻發(fā)電產(chǎn)品。4.4降低風(fēng)電的增值稅,拓寬融資渠道,加快風(fēng)電投入與合作融資的金融基礎(chǔ)由于風(fēng)電一次性投資較大,加之目前風(fēng)電場(chǎng)的總體規(guī)模較小,設(shè)備主要依賴于進(jìn)口,因此,需要國(guó)家給予一定的優(yōu)惠政策,以大力扶持風(fēng)電的發(fā)展。降低風(fēng)電增值稅稅率?，F(xiàn)階段風(fēng)電的發(fā)