可再生能源行業(yè)專題報告:風電技術(shù)在中國的發(fā)展

發(fā)布時間:2016-08-05   來源:中國經(jīng)濟新聞網(wǎng)

  1  資源分布及發(fā)展現(xiàn)狀

  中國幅員遼闊,風能資源豐富,風能資源的技術(shù)可開發(fā)總量為 28.6 億 kW,考慮到實際可利用 的土地面積等因素,可利用的陸地上風能儲量約 80GW (8 億 kW),近??衫玫娘L能儲量有 15GW, 共計約 95GW。如果陸上風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷 2,000 小時/年計,則每年可提供 1.6 萬億 kWh 的電量,近海風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷 2,500 小時/年計,每年可提供 3750 億 kWh 的電量,合 計約 2 萬億 kWh 的電量,相當于 2004 年全國的用電量。但從資源分布方面分析,我國風能資源分 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)(中國氣象局,2006):1) 三北(東北、華北、西北)地區(qū)豐富帶,風能功率密度在 200~300 瓦/m2以上,有的可以 達到 500 瓦/m2以上。2) 沿海及其島嶼地區(qū)豐富帶,有效風能功率密度在 200 瓦/m2以上,臺山、平潭、東山等沿海 島嶼風能功率密度在 500 瓦/m2以上。3) 內(nèi)陸風能豐富地區(qū),風能功率密度一般在 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,我國風能資源多集中在人口稀少、經(jīng)濟發(fā)展欠發(fā)達地區(qū),這些地區(qū)的電力負荷通常 要遠遠小于東南沿海地區(qū)。因此,盡管我國風能資源豐富,但其開發(fā)利用、上網(wǎng)及與電力負荷的匹 配之間仍存在很大不匹配性,這為我國風能資源的大規(guī)模開發(fā)利用帶來了障礙。

  自 1986 年建設(shè)山東榮成第一個示范風電場至今,經(jīng)過近 25 年的努力,中國的風電場裝機規(guī)模 不斷擴大。自 2005 年 2 月《可再生能源法》頒布之后,風電開始迅猛發(fā)展,特別是“十五”和“十 一五”期間,中國風電發(fā)展提速,總裝機容量從 2005 年的 126 萬 kW 增長到 2008 年底的 1217 萬 kW,年增長率超過 100%(中國能源網(wǎng),2009)。據(jù)初步計算,2009 年中國風電仍然保持快速發(fā)展 狀態(tài),年內(nèi)新增裝機超過 13GW,連續(xù) 4 年實現(xiàn)增速 100%(圖 1.3)。

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  2  技術(shù)發(fā)展

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

  風機規(guī)模——在過去 20 年中,風機單機的規(guī)模基本呈現(xiàn)線性增長趨勢,目前已達到 5~6MW(見 圖 1.4),風機轉(zhuǎn)子直徑達到 126 米,風電技術(shù)快速發(fā)展(IEA,2008)。通過改進葉片材料(利用環(huán) 氧樹脂基和玻璃纖維來減輕風機重量,同時提高負荷強度)、采用低速直趨發(fā)電機(在大規(guī)模風機中 采用直趨技術(shù)是指在低速發(fā)電機中應(yīng)用單階驅(qū)動技術(shù),從而降低發(fā)電機的直徑尺寸;另外分布式驅(qū) 動系統(tǒng)也可有效降低重量和尺寸)、對驅(qū)動和轉(zhuǎn)子負荷實施反饋控制等技術(shù),未來風機的規(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大型風機運輸安裝的限 制將隨著風機規(guī)模的增大而愈加突出。

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

  安裝——風機規(guī)模的增大會對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)子置于更高風速的位置都將提高輪轂的高度。目前,風機輪轂高度已從 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,同時塔筒 的厚度也必然增厚以承擔更大的撓度和折斷載荷,這些都增加了風機的安裝成本。為了降低使用大 型吊車的高成本,目前對于風機塔筒的設(shè)計進行了新的探索:一方面是利用可伸縮或自行架設(shè)塔筒, 這種設(shè)計使得發(fā)動機艙和轉(zhuǎn)子的安裝接近地面,然后使用利用水力學原理將機艙和塔筒升至其運行 高度。另一方面是尋求利用塔筒的安裝軌道將機艙和轉(zhuǎn)子運輸?shù)剿茼敳浚@種方法具有可將機艙 降至地面進行全面修理的額外優(yōu)勢,從而減少了大型起重機的使用成本。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)和運輸成本。

  控制系統(tǒng)——控制系統(tǒng)是風電機組關(guān)鍵的核心零部件,在我國過去沒有相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的尖端技 術(shù)。未來中國市場將需要兆瓦級及以上變漿變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(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)將風機的狀態(tài)實時反饋,從而決定實施何種控制,達到降低系統(tǒng)負荷的目的。

  海上風電技術(shù)——由于陸地資源的逐漸稀少,而海上風能資源已被確認具有豐富的儲量,因此 海上風電的發(fā)展呈現(xiàn)出一派繁榮景象。海上風機一般單機較大,因此對可靠性的要求更高,同時其 維護和運營比陸地風電更加復(fù)雜。國內(nèi)廠商主流機型為雙饋式;而金風和湘電則采用直驅(qū)式機型。 另外,風力和海浪負荷及海底狀況的勘察對未來海上風電的發(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)成本低的浮動或固定平臺,為海上發(fā)電提供負擔得起的、可靠的平臺系統(tǒng)。

  綜上所述,21 世紀初以來,風電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要是在風速較低而用電負荷較大的地區(qū)實現(xiàn) 風力發(fā)電具有成本效益,同時盡量避免電力輸送的障礙。這些挑戰(zhàn)要求風機增加高度,以在低風速 地區(qū)增加風能獲取量;以及積極探索在淺海甚至深海地區(qū)發(fā)展海上風電技術(shù)。未來技術(shù)的突破點為: 特殊設(shè)計的永磁發(fā)電機(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,同時不增加設(shè)備質(zhì)量,規(guī)模及成本)、具有更佳性能和更強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)測載荷變化,適應(yīng)更廣闊氣候變化的空氣動力學和結(jié)構(gòu)動力學代碼、 用環(huán)氧樹脂基等高級材料制成的葉片、能夠減少機器符合但不增加成本的控制技術(shù)、利用高級合成 材料制造的新塔筒、建立在浮動平臺上的海上風機、改進的海上電力收集系統(tǒng)(R. Thresher, A. Laxson, 2006) 。

  3  成本分析

  風電總成本的 75%均與前期成本相關(guān),包括風機、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,風電是資本密集型技術(shù)。根據(jù)歐洲風能協(xié)會的計算,依據(jù)資源條件不同,陸上風電 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;海上風電的投資成本在 1250~ 1800 歐元/千瓦,發(fā)電成本在 7.1~9.6 歐分/千瓦時。中投證券發(fā)表研究報告的分析結(jié)果表明:目前 風電場的建設(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,等效滿負荷利 用小時數(shù)1800小時計算,測算出5萬千瓦風電場度電成本為0.43~0.53元/千瓦時(中投證券,2009) 。

  中國政府把風電上網(wǎng)標桿電價按地市級行政邊界分 4 個等級:0.51 元/kWh、0.54 元/kWh、0.58 元/kWh 和 0.61 元/kWh,因此,目前我國風電成本已經(jīng)低于發(fā)改委標桿電價(關(guān)于完善風力發(fā)電上網(wǎng)電價政 策的通知,2009)。根據(jù)世界風能理事會最近對風力發(fā)電成本下降趨勢進行的研究表明,風力發(fā)電成本的下降中 60% 依賴于規(guī)?;l(fā)展,40%依賴于技術(shù)進步,而隨著規(guī)模的增加,未來中國風電成本有進一步下降的空間。

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

  4  發(fā)展?jié)摿?/p>

  風電是我國除水電外成本最低的可再生能源資源,近幾年風電的超速發(fā)展更是引起了政府、企 業(yè)、社會的廣泛關(guān)注。根據(jù)最新的研究,中國提出建設(shè)千萬千瓦級風電基地思路,落實了“建設(shè)大 基地,融入大電網(wǎng)”的發(fā)展方針,其中對于風電的具體規(guī)劃如下:1)甘肅酒泉地區(qū)啟動的千萬千瓦風電基地規(guī)劃,制定目標 1100 萬 kW;2)新疆哈密地區(qū)規(guī)劃建設(shè) 1100 萬 kW;3)內(nèi)蒙古規(guī)劃建設(shè) 5700 萬 kW,其中蒙西 2700 萬 kW,蒙東 3000 萬 kW;4)河北規(guī)劃在沿海和北部地區(qū)共建設(shè) 1000 萬 kW;5)吉林規(guī)劃在西部地區(qū)建設(shè) 2300 萬 kW;6)江蘇規(guī)劃建設(shè) 1000 萬 kW 海上風電基地;7)山東也規(guī)劃在沿海建設(shè) 1000 萬 kW。

  七個千萬千瓦級風電基地規(guī)劃加上其他省區(qū)的規(guī)劃容量到 2020 年達到 1.5 億 kW,到 2030 年有 望達到 3.2 億 kW。

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      關(guān)鍵詞: 風電,可再生能源

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