风能利用的现状和未来发展

2.1.1.1　风能利用的意义

人类利用风能的历史可以追溯到公元前,但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。

迄今为止,以石油、煤炭、天然气为主的一次性化石能源仍然是全球能源的主要来源。然而,资源是有限的,而对无限的经济增长,全球性的能源枯竭问题日益突现。全球化石能源已探明总储量约为16000亿toe(吨油当量),根据政府间气候变化专业委员会(IPCC)的统计,2030年能源需求量将达到165亿～214亿toe,2050年甚至可能突破300亿toe。这表明化石能源的静态储量不足以满足人类22世纪的使用。

能源的枯竭关系到一个国家的生死存亡,而中国的能源短缺更甚。中国探明石油、天然气和煤炭的储量分别为全球总量的1.4%、1.2%和11%,而中国人口密度为全球平均的3倍,中国人均拥有的能源总量仅为全球平均水平的40%,与此对应的是,目前中国依然是一个高能耗国家,资源利用水平低于全球平均水平。例如,2004年中国能源消费总量占全球的13.5%,而GDP仅占全球的4%,单位产值的能耗相当于全球平均值的3.4倍。同时,中国的能源对外依存度高。例如,预计到2020年,石油进口依存度将超过50%。解决能源问题的战略主要有扩大能源来源范围、提高开采和利用效率、开发新能源等措施。从长期的能源安全供给考虑,必须依靠包括太阳能、风能等可再生能源的开发,这些能源的供给量理论上可以满足全球对能源不断增长的需要。因此,可以说,可再生能源是缓解现有能源危机和解决能源问题的真正出路。可再生能源包括太阳能、风能、生物质能等。未来10年左右的时间里,在技术进步的推动下可再生能源的绝对成本将迅速降低,同时,化石能源的价格增长将使可再生能源有利可图。

在所有的可再生能源中,风能是近10多年来发展最快的可再生能源。目前,风能的综合社会成本已经低于化石能源。在世界各国重视环保、强调能源节约的今天,风能利用对改善地球生态环境、减少空气污染具有积极的作用。减少CO2排放量是风能利用对环境做出的重要贡献。CO2是产生温室效应的主要因素,它会导致全球气候变化,引起灾难性气候的发生。风能资源的开发利用,已经成为世界利用可再生能源的主要成分。随着技术的进步,风力设备外观将更具观赏性,可以成为自然景观的补充。预计到2020年,风能将可提供世界电力需求的12%,并在全球范围内减少100多亿m3的CO2。

2.1.1.2　国内、外风能利用状况

1.国外风能利用状况

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、碾米,用风帆推动船舶前进。甲骨文字中就有“帆”字存在。1800年前,东汉刘熙著作中有“随风张幔日帆”的叙述。唐代有“乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海” 的诗句。明代的《天工开物》书里有“扬郡以风帆数叶,俟风转车,风息则止”的记载。

公元前3000年,古埃及人就学会了驾驶帆船。公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水,11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲,14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在随后的几个世纪中,风车在欧洲被广泛用于排水和研磨谷物。在荷兰,风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水,以后又用于榨油和锯木。18世纪,风车在北美的垦荒过程中发挥了巨大的作用。1888年,美国人查尔斯·布鲁斯(Charles Brash)在克里夫兰建成第一座可以发电的风力发电机。1891年,丹麦物理学家Poul La Cour发现,叶片较少但旋转较快的风力发电机效率高于叶片多但转速慢的风力发电机。应用这一原理,他设计建造了一座4个叶片、功率为25kW的风力发电机,这奠定了现代风力发电机的基础。

由于蒸汽机的出现,煤炭和石油价格低廉,兴建大电网的工程迅速发展,风力发电被视为一种没有前途的产业而遭到冷落,风车数量急剧减少。1920—1950年,美国和许多欧洲国家使用风能为偏远地区供电,每台风力发电机的发电能力仅有2～3kW。

1973年世界石油危机以后,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分开始了新发展。当时,风力发电研究者多数为大型军工企业、飞机制造商,研究资金由政府提供,研究重点是大型风力发电机。但随着能源危机的缓解,这期间的主要研究者后来基本上放弃了风力发电这一领域。1990年之后,空气污染和气候变化逐渐引起人们的关注,风力发电作为一种可持续清洁能源被许多国家加以推广,尤其是在欧洲。

美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能,降低造价；主要研究为农业和其用户用的小于100kW的风力机；为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国,也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。

2.我国风能利用概况

中国是世界上利用风能最早的国家之一。据考证用帆式风车提水已有1700多年的历史,这种传统的风车一直用到20世纪,在农用灌溉和盐地提水中起到过重要的作用。新中国成立后,风能开发利用大体可划分为下面几个阶段：

(1)20世纪50年代,在发展传统风车的同时,开始摸索研制风力发电机组。由于当时经济和技术条件的限制,大多数机组在试运行时就损坏了,虽然未能形成产品,但是为后来研制风力发电机组提供了宝贵的经验和教训。

(2)20世纪60年代开始,在传统风车的基础上,重点研制现代风力提水机组,在一些地区推广应用,取得了良好的效果。

(3)20世纪70年代末,国家科学技术委员会等有关部委组织全国力量重点对小型风力机组,特别是小型风力发电机组进行科技攻关,促进小型风力发电机组商品化,并在内蒙古等省(自治区)组织示范试验和推广应用。这一时期,还成立了全国性的风能学术组织和风能技术开发组织,一些省、自治区还组建了风能研究所和小型风力机组制造厂,对我国风能利用事业的发展起到了积极的促进作用。

(4)从20世纪80年代中期开始,在继续推广应用小型风力机组的同时,重点放在大中型风力发电机组的科技攻关。在消化吸收国外技术基础上自行研制百千瓦级大型风力发电机组。与此同时,开始着手规划风电场的建设,引进国外大型风力发电机组,进行试验示范。为了进一步加快风力机产业化的进程,成立了全国风力机械制造行业协会。一些省、自治区还调整了一些国有大中型企业,着手进行大型风力发电机组的生产。

(5)从20世纪90年代开始,以风力发电为主体的我国风能开发利用进入一个新的时期,风力发电作为一个产业在我国电力工业中逐步占有一席之地。这一时期,我国风电场的建设得到了迅速的发展,与此同时,以200kW为主体的大型风力发电机组的国产化亦迈开了新的步伐。

我国风力提水虽有悠久的历史,但直至20世纪70年代后,在风力提水机组的研制和应用技术方面才得以成熟的发展,并用于农田灌溉、海水制盐、水产养殖、滩涂改造、人畜饮水、草场改良等提水作业,取得了较好的经济效益和社会效益。我国已研制的风力提水机组大致可以分为两大类：一类是低扬程(小于5m)大流量(大于20t/h)型,用于南方抽提地表水；另一类是高扬程(大于10m)小流量(小于8.5t/h)型,用于北方抽提地下水。经过示范试验和推广应用表明,我国研制的风力提水机组结构设计合理,运行稳定可靠,操作维护简便,性能满足需要。其中由中国农业机械科学研究院研制的低扬程大流量风力提水机组和由呼和浩特牧机所研制的高扬程小流量风力提水机组已进入商品化生产。另外,与风力提水机配套的泵,包括旋转式泵和往复式泵,国内都能自行研制和生产。我国在风力提水技术方面的进步得到了国际同行的重视。(www.xing528.com)

我国风力机的发展也取得了一定的成就。在20世纪50年代末是各种木结构的布篷式风车,到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用被列入了“六五”国家重点项目,得到迅速发展。进入80年代中期以后,我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批大、中型风力发电机组,在新疆、内蒙古、广东等省(自治区)建立了示范性风力发电场。目前我国已研制出上百种不同型式、不同容量的风力发电机组,并初步形成了风力机产业。我国风力发电起步较晚,但进展较快。小型风力发电机组得到推广应用,大型风力发电机组开始进入商品化,风电场已在电力行业中占有一席之地。风力发电在解决边远地区生活用电和缓解部分地区生产用电紧张方面已取得较好的社会效益、环境效益和经济效益。我国已研制的风力发电机组主要是水平轴风力发电机组。从国情出发,目前风力发电机组的研制重点是两头,一头是1kW以下独立运行的小型风力发电机组；另一头是100kW以上并网运行的大型风力发电机组。小型风力发电机组从20世纪70年代开始,经过科技攻关、研制开发、示范试验、商品生产和推广应用等阶段,目前已全部国产化。除满足国内需要外,还向国外出口。大型风力发电机组的研制开发是从20世纪80年代真正开始的。“八五”期间,国家将大型风力发电机组列入科技攻关项目。一方面,组织国内科研单位,对大型风力发电机组关键技术进行联合攻关,在此基础上自行研制开发；另一方面,组织国内企业单位引进国外大型风力发电机组,进行消化吸收,掌握大型风力发电机组制造技术,在此基础上进行组装或合作生产。经过几年的努力,我国大型风力发电机组的研制开发有了长足的进步。

从“六五”开始,国家就将风力发电技术列入重点科技攻关项目,经过“七五”“八五”和“九五”期间的努力,我国风力发电技术取得了较大的进步。主要反映在下面几个方面：

1)风能资源调查。从20世纪70年代末开始,国家气象局气象科学研究院同有关省区合作对我国风能资源做了几次全面的调查。1981年首次公布了我国第一张《全国风能资源分布和区划图》,1987年,又对我国在风能利用方面具有发展前景的东南沿海及三北等地区做了进一步的风能资源的详查,加密了选站的密度,完善了选取资料的代表性,给出了风能利用主要省、自治区的风能密度分布及各等级风速间的累积时数图。与此同时,一些重点的省市对本省市的风能资源亦做了详查,绘制了本地区的风能资源分布图。所有这些成果丰富了对我国风能资源状况的了解,为我国进一步开发和利用风能提供了可靠的依据。

2)风力机性能测试。我国风力机性能测试的主要手段有风洞测试和风场测试两种。中国空气动力研究与发展中心有一个大型低速风洞,可进行最大风轮直径为7m的全尺寸小型风力机组性能试验和大型风力发电机组风轮模型性能实验。风场测试主要在北京八达岭测试站中进行。此外,还有内蒙古赛汉塔拉等地亦建有相当规模的测试站,可对风力发电机运行状态、风速、风向、转速及输出电压、功率等10余个参数进行监测,获得风能利用效率和功率特性曲线。此外,还可以进行噪声、振动等非常规性能的测试。

3)风力机标准规范。1985年全国风力机标准化技术委员会成立以来,在呼和浩特畜牧机械研究所的组织下,制定风力机国家标准。目前,小型风力发电机组的有关标准已经完成,正在拟定大型风力发电机组和风电场的有关标准。这些标准对保证风力机质量起到了重要的作用。

4)风力机设计技术。风力机设计是一门综合技术,涉及空气动力学、结构动力学、气象学、机电工程、自动控制、计算机等专业技术。我国对风力设计技术主要进行了风力机空气动力设计和计算方法、风力机结构动力计算和分析方法、风力机玻璃钢叶片设计方法、风力机变速恒频发电机技术、风力机自动控制技术、风力机调(限)速特性、风力机调向特性、风力机计算机辅助设计和软件包开发等研究工作,取得了较快的进展。

5)风力机制造技术。随着大、中型风力发电机组国产化进程的加快,我国风力机制造技术也取得了较快的进步。目前,塔架、发电机和齿轮箱等部件的制造技术已基本掌握。叶片和控制系统的制造技术也取得进展和良好的运行效果。

6)风力机运行技术。随着风电场建设的发展,我国对大型风力发电机组并网运行技术进行了研究,重点放在大型风力发电机组并网后对电网运行的影响。并在《风力发电场并网运行管理规定》中明确,现阶段风电量控制在电网容量的5%以内。

7)新概念型风能转换装置。新概念型风能转换装置是从如何提高收集风的能量的角度提出来的。从20世纪80年代开始,我国曾先后对旋风型风能转换装置、风能太阳能综合发电装置和扩压引射型风能转换装置进行了可行性研究、概念设计和示范试验,新概念型风能转换装置较之常规的风能转换系统投资大、技术复杂,因此从总体上还处在科研探索阶段。

我国在小型风力发电机组推广应用中已取得了明显的社会效益。近年来,在风电场示范应用中也取得了较好的经济效益。在我国广大边远地区,有20%以上的农(牧)户没有用上电,由于推广了小型风力发电机组,特别是百瓦级的小型风力发电机组,逐步解决了有风无电地区农(牧)户生活用电的问题。使用独立运行的小型风力发电机组一般配以蓄电池输出直流电或加逆变器输出交流电。

我国风力发电并网运行的方式有三种形式。第一种是将单台中、大型风力发电机组并入电网运行；第二种是将单台或多台中、大型风力发电机组与柴油发电机组组成风/柴系统并入电网运行；第三种是将多台大型风力发电机组组成风电场并入电网运行。目前主要是第三种。

1983年,在山东荣成安装了3台丹麦Vestas 55kW风力发电机,建设起了我国第一个风电场。1989年,在新疆达坂城安装了13台丹麦Bonus 150kW风力发电机组,在内蒙古朱日和安装了5台美国Windpower 100kW风力发电机组,开始了风电场运行示范试验。从这之后,在全国各地陆续引进国外机组建设风电场,装机容量逐年增长,特别是原国家计划委员会提出的“乘风计划”、国家经济贸易委员会提出的“双加工程”和原电力部提出的到20世纪末装机容量达到100万kW的目标,对推动我国风电场建设起到了重要的作用。在国家发展和改革委员会、国家经济贸易委员会、国家电网公司的规划和组织下,风电场的建设正在稳步健康地发展,并取得了较好的经济效益,为改善我国电力工业的结构打下了良好的基础。

2.1.1.3　风能利用发展趋势

面对与全球气候变化进行斗争的紧迫性,也使风能开发利用的需求更为迫切。IPCC预测,在21世纪,全球平均温度将提高5.8℃,随之而来的将是洪水、干旱和气候巨变。大多数国家已经认识到,为了避免环境灾难的发生,必须大幅度降低温室气体的排放量。根据1997年《京都议定书》规定,2008—2012年间,全球温室气体排放量要比1990年减少5.2%。风电不像用化石燃料发电和原子能发电那样产生有害物质,也不排放CO2这样的温室气体,这为提高风能在能源利用中的份额提供了良好的机遇。欧盟成员国等国家已经采取了一系列促进风力机市场成长的措施。在过去的10年里,全球风力发电总量增加了10倍。到2020年,将实现风能生产量占全球电力需求总量的12%。

随着技术的发展以及机器规模的增大,风力发电的成本将持续减少。在过去的20年里,风力发电成本从0.8美元/(kW·h)降至0.4美元/(kW·h)。风力发电与以煤为燃料的新建电厂相比,已具有竞争力。技术的进一步改进将使风力发电成本再降低30%。随着在经济方面的吸引力越来越突出,风能利用已成为一个很有前途的行业。

风力发电技术将得到进一步发展。为了保证风力产业的未来发展,研究人员正在设计适用于低风速地区的风力机,其塔架更高、材料更轻、转子直径更大、螺旋桨和发电机更有效、控制方案更优化。同时,致力于研究消除技术障碍,包括传输约束、运营政策以及缺乏风能对公共电网影响的认识等。其中关键的技术措施是增大风力机的尺寸和功率。现在一台2000kW风力机生产的电力相当于20世纪80年代200台老型风力机生产的电力。风力机的大型化,使风力机数量比以前少得多,但生产的电却没有减少,而且可以减少占用土地的面积。现代的风力发电机都具有持续工作、无人监控、少量维护并可以输出具有电网频率的高质量电能的特点。有的可以持续工作20年或者12万h。而一台汽车发动机通常的设计寿命是4000～6000h。

今后将生产供海上风力发电场使用的更大型的风力机。海上风力机具有新的技术要求。海上风力机必须牢牢地固定在海底,各风力机之间不但要有电缆相连,还要一直连接到陆地上,将电力输入公共电网。风电场的选址是一个将被更加重视的问题。不仅要对风力机安装地点的风速进行监控,还要注意避免将风力机安装在考古遗存地、飞机航线地区和候鸟迁徙经过的地区。施工机械的发展将使风力机的安装速度加快。巨型吊车能把风力机塔楼、机身和转子叶片方便地安装到坚固的混凝土基础。风电场一旦建成投产,可通过计算机对其性能和工作状况不间断地进行远程监控,对风力机的功率也可以控制和调整。

在我国,《可再生能源法》已于2006年1月1日正式生效。《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006—2020)》以及国家“十一五”高新技术研究计划和国家科技支撑计划中,都专门设立了有关进行研究大型风力机和风能利用的项目。一系列的政策措施和国家科技支持政策的导向表明,中国的风能利用迎来了新的春天。在21世纪,高效清洁的风能将在我国能源的格局中占有重要的地位。