可再生能源行業(yè)專題報(bào)告：風(fēng)電技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展

1 資源分布及發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能資源的技術(shù)可開發(fā)總量為 28.6 億 kW，考慮到實(shí)際可利用 的土地面積等因素，可利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約 80GW （8 億 kW），近海可利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有 15GW， 共計(jì)約 95GW。如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷 2,000 小時(shí)/年計(jì)，則每年可提供 1.6 萬億 kWh 的電量，近海風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷 2,500 小時(shí)/年計(jì)，每年可提供 3750 億 kWh 的電量，合 計(jì)約 2 萬億 kWh 的電量，相當(dāng)于 2004 年全國(guó)的用電量。但從資源分布方面分析，我國(guó)風(fēng)能資源分 布較廣，且不均勻，其中較豐富的地區(qū)主要集中以下地區(qū)（中國(guó)氣象局，2006）：1) 三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶，風(fēng)能功率密度在 200～300 瓦/m2以上，有的可以 達(dá)到 500 瓦/m2以上。2) 沿海及其島嶼地區(qū)豐富帶，有效風(fēng)能功率密度在 200 瓦/m2以上，臺(tái)山、平潭、東山等沿海 島嶼風(fēng)能功率密度在 500 瓦/m2以上。3) 內(nèi)陸風(fēng)能豐富地區(qū)，風(fēng)能功率密度一般在 100 瓦/m2以下，但部分地區(qū)由于湖泊和特殊地形 的影響，風(fēng)能資源也較豐富，但只限于很小的范圍之內(nèi)。

由此可見，我國(guó)風(fēng)能資源多集中在人口稀少、經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這些地區(qū)的電力負(fù)荷通常 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于東南沿海地區(qū)。因此，盡管我國(guó)風(fēng)能資源豐富，但其開發(fā)利用、上網(wǎng)及與電力負(fù)荷的匹 配之間仍存在很大不匹配性，這為我國(guó)風(fēng)能資源的大規(guī)模開發(fā)利用帶來了障礙。

自 1986 年建設(shè)山東榮成第一個(gè)示范風(fēng)電場(chǎng)至今，經(jīng)過近 25 年的努力，中國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模 不斷擴(kuò)大。自 2005 年 2 月《可再生能源法》頒布之后，風(fēng)電開始迅猛發(fā)展，特別是“十五”和“十 一五”期間，中國(guó)風(fēng)電發(fā)展提速，總裝機(jī)容量從 2005 年的 126 萬 kW 增長(zhǎng)到 2008 年底的 1217 萬 kW，年增長(zhǎng)率超過 100%（中國(guó)能源網(wǎng)，2009）。據(jù)初步計(jì)算，2009 年中國(guó)風(fēng)電仍然保持快速發(fā)展 狀態(tài)，年內(nèi)新增裝機(jī)超過 13GW，連續(xù) 4 年實(shí)現(xiàn)增速 100%（圖 1.3）。

2 技術(shù)發(fā)展

提高效率、降低成本一直是風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的努力方向。目前，提高風(fēng)電成本效益的技術(shù)手段可 從以下兩方面入手：①向大規(guī)模風(fēng)機(jī)升級(jí)；②改善設(shè)計(jì)方法，使其適應(yīng)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能運(yùn)行環(huán)境，例如 改善電機(jī)、減速箱、葉片設(shè)計(jì)和葉片材料、控制系統(tǒng)，促進(jìn)整體性能等。風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn) 在以下幾方面：

風(fēng)機(jī)規(guī)模——在過去 20 年中，風(fēng)機(jī)單機(jī)的規(guī)?；境尸F(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，目前已達(dá)到 5～6MW（見 圖 1.4），風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑達(dá)到 126 米，風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展（IEA，2008）。通過改進(jìn)葉片材料（利用環(huán) 氧樹脂基和玻璃纖維來減輕風(fēng)機(jī)重量，同時(shí)提高負(fù)荷強(qiáng)度）、采用低速直趨發(fā)電機(jī)（在大規(guī)模風(fēng)機(jī)中 采用直趨技術(shù)是指在低速發(fā)電機(jī)中應(yīng)用單階驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從而降低發(fā)電機(jī)的直徑尺寸；另外分布式驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)也可有效降低重量和尺寸）、對(duì)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)子負(fù)荷實(shí)施反饋控制等技術(shù)，未來風(fēng)機(jī)的規(guī)模仍有上 升的空間（R. Thresher, A. Laxson, 2006）。但是值得注意的是交通工具對(duì)大型風(fēng)機(jī)運(yùn)輸安裝的限 制將隨著風(fēng)機(jī)規(guī)模的增大而愈加突出。

1996 年以來，我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量基本上以 750～850kW 為主，從 2007 年開始，新 增風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)為以兆瓦級(jí)為主。目前，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到 1.5MW、2MW 甚至更高（蔣 麗萍，2008）。代表技術(shù)發(fā)展方向的兆瓦級(jí)直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組和兆瓦級(jí)雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī) 組已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，其軸承、變流器及控制系統(tǒng)等核心技術(shù)仍然依靠國(guó)外廠家。

安裝——風(fēng)機(jī)規(guī)模的增大會(huì)對(duì)其安裝帶來很大影響。轉(zhuǎn)子直徑的增加和人們希望通過增加塔筒 高度以將轉(zhuǎn)子置于更高風(fēng)速的位置都將提高輪轂的高度。目前，風(fēng)機(jī)輪轂高度已從 65 米增加到 80～ 100 米（2.5～3.5MW）。 而隨著輪轂質(zhì)量和塔筒高度的增加，塔筒的直徑也必然隨之增加，同時(shí)塔筒 的厚度也必然增厚以承擔(dān)更大的撓度和折斷載荷，這些都增加了風(fēng)機(jī)的安裝成本。為了降低使用大 型吊車的高成本，目前對(duì)于風(fēng)機(jī)塔筒的設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的探索：一方面是利用可伸縮或自行架設(shè)塔筒， 這種設(shè)計(jì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙和轉(zhuǎn)子的安裝接近地面，然后使用利用水力學(xué)原理將機(jī)艙和塔筒升至其運(yùn)行 高度。另一方面是尋求利用塔筒的安裝軌道將機(jī)艙和轉(zhuǎn)子運(yùn)輸?shù)剿茼敳?，這種方法具有可將機(jī)艙 降至地面進(jìn)行全面修理的額外優(yōu)勢(shì)，從而減少了大型起重機(jī)的使用成本。而采用新型復(fù)合材料和優(yōu) 化結(jié)構(gòu)的塔筒可降低系統(tǒng)重量，在保證穩(wěn)固的前提下減少生產(chǎn)和運(yùn)輸成本。

控制系統(tǒng)——控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵的核心零部件，在我國(guó)過去沒有相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的尖端技 術(shù)。未來中國(guó)市場(chǎng)將需要兆瓦級(jí)及以上變漿變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。另外，具有干擾容納 控制（DAC, disturbance accommodating control）和周期控制的全狀態(tài)反饋技術(shù)也開始應(yīng)用。該技術(shù) 是通過控制環(huán)將風(fēng)機(jī)的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋，從而決定實(shí)施何種控制，達(dá)到降低系統(tǒng)負(fù)荷的目的。

海上風(fēng)電技術(shù)——由于陸地資源的逐漸稀少，而海上風(fēng)能資源已被確認(rèn)具有豐富的儲(chǔ)量，因此 海上風(fēng)電的發(fā)展呈現(xiàn)出一派繁榮景象。海上風(fēng)機(jī)一般單機(jī)較大，因此對(duì)可靠性的要求更高，同時(shí)其 維護(hù)和運(yùn)營(yíng)比陸地風(fēng)電更加復(fù)雜。國(guó)內(nèi)廠商主流機(jī)型為雙饋式；而金風(fēng)和湘電則采用直驅(qū)式機(jī)型。 另外，風(fēng)力和海浪負(fù)荷及海底狀況的勘察對(duì)未來海上風(fēng)電的發(fā)展也具有至關(guān)重要的影響。目前急需 的技術(shù)是開發(fā)成本低的浮動(dòng)或固定平臺(tái)，為海上發(fā)電提供負(fù)擔(dān)得起的、可靠的平臺(tái)系統(tǒng)。

綜上所述，21 世紀(jì)初以來，風(fēng)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要是在風(fēng)速較低而用電負(fù)荷較大的地區(qū)實(shí)現(xiàn) 風(fēng)力發(fā)電具有成本效益，同時(shí)盡量避免電力輸送的障礙。這些挑戰(zhàn)要求風(fēng)機(jī)增加高度，以在低風(fēng)速 地區(qū)增加風(fēng)能獲取量；以及積極探索在淺海甚至深海地區(qū)發(fā)展海上風(fēng)電技術(shù)。未來技術(shù)的突破點(diǎn)為： 特殊設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)（釹－鐵－硼永磁材料的選用，可以使鋼的磁通密度接近的銅線圈的磁通密 度鐵，同時(shí)不增加設(shè)備質(zhì)量，規(guī)模及成本）、具有更佳性能和更強(qiáng)可靠性的變速電力電子電源轉(zhuǎn)換器、更小更輕的減速箱、能夠更好預(yù)測(cè)載荷變化，適應(yīng)更廣闊氣候變化的空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)代碼、 用環(huán)氧樹脂基等高級(jí)材料制成的葉片、能夠減少機(jī)器符合但不增加成本的控制技術(shù)、利用高級(jí)合成 材料制造的新塔筒、建立在浮動(dòng)平臺(tái)上的海上風(fēng)機(jī)、改進(jìn)的海上電力收集系統(tǒng)（R. Thresher, A. Laxson， 2006） 。

3 成本分析

風(fēng)電總成本的 75%均與前期成本相關(guān)，包括風(fēng)機(jī)、基建、電子設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)等。因此與化石能源 發(fā)電技術(shù)不同，風(fēng)電是資本密集型技術(shù)。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的計(jì)算，依據(jù)資源條件不同，陸上風(fēng)電 的投資成本在 800～1150 歐元/千瓦，發(fā)電成本在 4～7 歐分/千瓦時(shí)；海上風(fēng)電的投資成本在 1250～ 1800 歐元/千瓦，發(fā)電成本在 7.1～9.6 歐分/千瓦時(shí)。中投證券發(fā)表研究報(bào)告的分析結(jié)果表明：目前 風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)投資基本在每千瓦 8000～10000 元人民幣，按照 30%的自有資金投資，等效滿負(fù)荷利 用小時(shí)數(shù)1800小時(shí)計(jì)算，測(cè)算出5萬千瓦風(fēng)電場(chǎng)度電成本為0.43～0.53元/千瓦時(shí)（中投證券，2009） 。

中國(guó)政府把風(fēng)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)按地市級(jí)行政邊界分 4 個(gè)等級(jí)：0.51 元/kWh、0.54 元/kWh、0.58 元/kWh 和 0.61 元/kWh，因此，目前我國(guó)風(fēng)電成本已經(jīng)低于發(fā)改委標(biāo)桿電價(jià)（關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政 策的通知，2009）。根據(jù)世界風(fēng)能理事會(huì)最近對(duì)風(fēng)力發(fā)電成本下降趨勢(shì)進(jìn)行的研究表明，風(fēng)力發(fā)電成本的下降中 60% 依賴于規(guī)?；l(fā)展，40%依賴于技術(shù)進(jìn)步，而隨著規(guī)模的增加，未來中國(guó)風(fēng)電成本有進(jìn)一步下降的空間。

一般陸上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)施工費(fèi)用約占總投資的 10%，而海上基礎(chǔ)施工費(fèi)用高達(dá)總投資的 40%以上， 從而導(dǎo)致了海上風(fēng)電投資成本比陸上同類風(fēng)機(jī)高出 50～100%。即使海上風(fēng)速條件好（一般高出陸地 20～40%），相應(yīng)的每千瓦時(shí)的發(fā)電成本也要提高 2～4 歐分。依據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)計(jì)算的海上風(fēng)電和 陸上風(fēng)電的成本比較，可以近似說明兩者的差距，即海上風(fēng)電成本比陸上高出 30%左右。如果再考 慮海底電纜輸電等費(fèi)用，海上風(fēng)電成本可能高出陸上 50%左右。

4 發(fā)展?jié)摿?/strong>