我國大型風電技術現(xiàn)狀與展望

王孚懋，郭曉斌，張丙法，衣秋杰，李 勇

（1.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266510；2.山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著全球社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，化石能源緊缺問題日益突出，很多國家與政府加大了新能源的開發(fā)力度。風能是目前適合大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源，風電不排放任何有害物質(zhì)，也不存在移民問題，不僅能夠減少溫室氣體排放、保護生態(tài)環(huán)境安全，也是改善電力能源結構、實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路。經(jīng)過一個多世紀的不斷改進，人類在風電機組設計、材料與結構、發(fā)電效率、系統(tǒng)安全與可靠性、系統(tǒng)控制、風電場選址等方面積累了豐富的經(jīng)驗與成果，為不斷降低風電成本和擴大可經(jīng)濟利用的風能資源奠定了基礎。目前，國外商業(yè)化風電機組的可利用率達到了98%，風電占電網(wǎng)容量的比例可以達到20%，風力發(fā)電成本從十幾年前每千瓦時10.9美分下降到4美分，2010年可望降到每千瓦時2.11美分，已經(jīng)接近或優(yōu)于常規(guī)化石能源發(fā)電，成為電力工業(yè)中增長速度最快的電源［1-2］。

風力發(fā)電的利用方式主要有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。離網(wǎng)型風電機組是一種獨立運行的供電系統(tǒng)，適宜偏遠的山區(qū)、草原和海島等小型獨立用戶，一般利用小型風力機發(fā)電，由蓄電池儲能，通過逆變器向交流電電器供電，單機容量在100W～10kW。還可采用中型風電機與柴油發(fā)電機或光伏太陽電池組成混合供電系統(tǒng)，裝機容量約10～200 kW，適合解決小的社區(qū)用電問題［1］。并網(wǎng)型風電機組是大規(guī)模利用風能的最經(jīng)濟的方式，單機容量為150 kW以上，一般由多臺單機組成風力發(fā)電場（Wind Power Plant）。風電場建設受到風能質(zhì)量、湍流強度、交通、環(huán)境、地質(zhì)等因素影響，要求利用效率高、風電成本低、對環(huán)境植被與生態(tài)影響小、不造成環(huán)境光學與環(huán)境噪聲污染等。

進入21世紀，我國逐步將風電作為電力工業(yè)的重要組成部分，加快了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，與國外經(jīng)濟發(fā)達國家比較，我國風電發(fā)電成本為0.7～0.9元/kW·h，風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在開發(fā)規(guī)模、開發(fā)水平、技術創(chuàng)新和設備制造等方面仍存在一定差距。

1 國外風電技術現(xiàn)狀

19世紀末，丹麥建成了人類第一座風力發(fā)電站，是最早開發(fā)風電技術的國家之一，至今仍處于技術領先地位。一個世紀以來，世界各國研制了各種類型的風力發(fā)電設備，風電技術受到國際社會的普遍關注與高度重視，尤其是近年來化石燃料的短缺危機以及環(huán)境保護國際公約對減排CO2等溫室氣體的承諾，促使風電工程迅猛發(fā)展。

1.1 全球風電機組裝機總量

在過去的10年里，全球風電市場高速發(fā)展，新增裝機容量和總裝機容量的年均增長率都在28%以上，如表1所示［3-4］。截至2007年底，全球風電總裝機容量達到了94 GW，年發(fā)電量超過200 TWh，約占全球總發(fā)電量的1.3%。根據(jù)世界風能協(xié)會的統(tǒng)計結果［4］，2008年全球風電新增裝機容量約27 GW，總裝機容量達到了121 GW。2008年，美國與中國是全球新增風電裝機容量最多的2個國家，美國新增風電裝機835.8 MW，占全球新增總量的30.9%；中國新增風電裝機624.6 MW，占全球新增總量的23.3%。

表1 全球風電裝機容量統(tǒng)計結果（1998—2008年）

從全球風電裝機的總體分布情況看［4］，歐洲、北美和亞洲仍然是世界風電發(fā)展的三大主力市場，分別占全球累計風電裝機總容量的54.6%、22.8%和20.2%。全球累計風電裝機總量前十強國家，其裝機總容量占全球的86.2%，而位居世界風電裝機前3位的美國、德國和西班牙的累計裝機總容量占全球總量的54.5%，中國的累計風電裝機總容量在全球總量中的份額達到了10.1%。2008年，美國列全球風電累計裝機容量的第1位，而中國上升為第4位。

1.2 風電設備制造技術

在風電裝機容量快速增長的同時，風電技術也取得了長足進步，特別是風電機組本身，由20世紀90年代的定槳距、恒速技術，發(fā)展到今天被廣泛應用的變槳距、變速技術，而且單機容量不斷刷新記錄［2-3］。據(jù)2006年世界風電市場統(tǒng)計報告，1997年以前兆瓦級風電機組的市場份額還不及10%，2001年則超過一半，2003年已達到70.5%，2006年高達76%，兆瓦級風力發(fā)電機組已成為風電市場中的主流機型。大功率、大容量風電機組是今后風機發(fā)展的一個重要趨勢。

隨著風電機組單機容量的不斷增大，為了便于運輸和吊裝，各風電機制造商都在結構設計的緊湊、柔性、輕盈化方面做了大量工作。如充分利用高新復合材料的葉片加長風機葉片長度；省去發(fā)電機軸承，發(fā)電機直接與齒輪箱相連，直接置于驅(qū)動系統(tǒng)、從而使轉(zhuǎn)矩引起振動最??；采用變速箱系統(tǒng)，將多極發(fā)電機與風輪直接相聯(lián)；調(diào)向系統(tǒng)放在塔架底部；整個驅(qū)動系統(tǒng)被置于緊湊的整鑄框架上，使荷載力以最佳方式從輪轂傳導到塔筒上等。國際上，風電設備制造技術的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)了以下特點［5］：

1）單機容量向大型化發(fā)展。為了降低單位造價及發(fā)電成本，世界各國競相研制大功率的風電機。兆瓦級的風電機已具備了商業(yè)價值，陸上單機容量已達2 MW，近海單機容量已達5 MW。MW級機組中普遍采用變速、變槳矩技術。

2）風電機組型式多樣化，由恒速運行向變速運行發(fā)展。變速運行風電機組具有發(fā)電量大、對風電場風速變化適應性好、降低噪音、提高風輪效率和精確地控制功率因數(shù)等優(yōu)點，已成為風力發(fā)電機組的發(fā)展方向。

3）定槳距向變槳距方向發(fā)展。變槳距風力發(fā)電機組具有結構輕巧良好的變風速性能和運輸起吊難度小等優(yōu)點，因而是大容量風電機的發(fā)展方向。

4）采用柔性結構。采用柔性葉片和柔性塔架，以降低材料消耗和最大限度吸收振動、減輕動載荷，可大大降低風電機生產(chǎn)成本。目前，主流機組已普遍采用輕質(zhì)高性能玻璃纖維葉片，更大的5～10 MW葉片則開始嘗試應用碳纖維材料［2］。

1.3 海上風電技術

由于海上風電技術逐漸成熟，全球海上風電裝機容量已經(jīng)超過1 GW，促進了單機容量達3 MW以上的特大型兆瓦級風力機的研發(fā)［3］。風電設備制造商一方面努力擴大產(chǎn)能，批量化生產(chǎn)現(xiàn)有產(chǎn)品，滿足陸地風電市場需求；另一方面紛紛推出特大型風機，為未來海上風電市場競爭做準備。巨型風力機的槳葉長度達到了60～70 m，海上運輸與施工極為方便，超過1 500 t的浮吊已經(jīng)普及應用。海上風速大且穩(wěn)定，年平均利用小時可達3 000 h以上，年發(fā)電量可比陸上高出50%。歐洲風能協(xié)會（EWEA）預測，2020年全球海上風電機組裝機容量將達到50 GW［6］。

2 中國風電技術現(xiàn)狀

2.1 中國風電裝機總量

我國風能資源豐富，適合大規(guī)模開發(fā)，應用前景廣闊。自1986年在山東榮成建成國內(nèi)第一個示范風電場以來，經(jīng)過20多年的努力，風電場裝機容量不斷擴大，已經(jīng)進入一個新的規(guī)?；l(fā)展時期。據(jù)中國風能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，截止到2005年底，全國風能資源豐富的15個省、市、自治區(qū)及特別行政區(qū)（除臺灣省外）已建成風電場62個，累計運行風電機組1 864臺，總裝機容量1.26 GW，僅2005年就建成了500 MW［5］。2008年，中國累計風電裝機總量已超過12.1 GW，占全球份額的10.1%，名列世界第4位［4］。表 2列出了 2000－2008年全國新增風電裝機及累計裝機狀況［4-5］。

我國修訂的 《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃目標》提出，到2010年新增風電裝機容量10 GW，到2020年達到30 GW，約占國內(nèi)發(fā)電總裝機10億KW容量的2%～3%，總電量的1%～1.5%，預計這一目標將會提前達到并超額實現(xiàn)。據(jù)2006、2007和2008三年統(tǒng)計數(shù)據(jù)［4］，全國并網(wǎng)風力發(fā)電容量分別達到年增長率為105.3%、127.3%和105.8%，實現(xiàn)飛躍性的發(fā)展。2008年，全國新增風電裝機容量達到6 246 MW，占當年全國新增發(fā)電裝機容量的8.0%，全國風電裝機比重從2005年的0.25%提高到2008年的1.53%。

2008年列全國風電裝機容量前10位的?。ㄊ?、自治區(qū)）及其份額如表 3所示［4］。 其中，內(nèi)蒙古、遼寧、河北、吉林及黑龍江列全國風電裝機容量前5位，這5個?。▍^(qū)）合計占全國風電總容量的份額從2007年的60.8%進一步提高到2008年的65.8%，列前10位的省（區(qū)）合計占全國風電裝機總容量的89.1%。由此可見，全國風電裝機的地區(qū)市場份額呈現(xiàn)進一步集中的趨勢，反映了風電產(chǎn)業(yè)具有區(qū)域性及資源依賴性的特點。

2.2 中國風電產(chǎn)業(yè)特點

我國的風電產(chǎn)業(yè)起步較晚。上世紀80年代初，我國將風力發(fā)電列為農(nóng)村電氣化的措施，推廣應用1 kW以下小型充電用風電機，形成了幾萬臺的年生產(chǎn)能力，還有一定數(shù)量出口國外。在“九五”期間，重點研制600 kW三葉片、失速型、雙速發(fā)電機的風電機組，掌握了整體總裝技術和關鍵部件如葉片、電控、發(fā)電機、齒輪箱等的設計制造技術，并初步掌握了總體設計技術。進入21世紀，我國逐步將風電作為電力工業(yè)的重要組成部分，加快了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！笆濉逼陂g，國家863計劃支持了國內(nèi)數(shù)家企業(yè)研制MW級風力發(fā)電機組及其關鍵部件，以盡快追趕世界主流機型先進技術，科技部組織了對750 kW失速型風電機組產(chǎn)品化與產(chǎn)業(yè)化的技術攻關。

表2 全國每年新增風電裝機及累計裝機容量

表3 2008年及2007年全國部分省市（市、區(qū)）風電裝機情況對比

截至2007年，國內(nèi)風電機組制造商達到40家，其中，國有和國有控股公司17家，民營制造企業(yè)12家，合資企業(yè)7家，外商獨資企業(yè)4家［7］。據(jù)2006年累計風電設備市場份額統(tǒng)計，國產(chǎn)企業(yè)已占22.7%。目前，國內(nèi)主要風電機組600 kW和750 kW定槳距失速機型已經(jīng)通過了市場驗證與考核，數(shù)家企業(yè)批量生產(chǎn)，國產(chǎn)化率達90%，相當于國際上二十世紀90年代中期的水平。國內(nèi)自主研發(fā)的1 200 kW直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機組于2005年4月完成吊裝投入試運行，在產(chǎn)品升級換代方面邁出了重要的一步。國內(nèi)引進的1 500 kW變槳雙饋變速技術和2 000 kW級風電機組正進入研制階段，開始野外運行考核，標志著國產(chǎn)兆瓦級變槳變速技術取得進展。我國具有完全自主知識產(chǎn)權的1 500 kW風力發(fā)電機組于2006年10月21日在沈陽正式出廠，標志著中國在風電產(chǎn)業(yè)方面又邁進一步。在國家風電設備國產(chǎn)化政策的有力推動下，風電設備零部件制造水平也有了較大提高，具備了齒輪箱、葉片、電機等關鍵零部件制造能力，外商已開始在我國采購風電設備零部件。這些成果標志著中國風電機組的設計制造能力總體上已經(jīng)達到了世界先進水平。

我國制造的風電機組大致分為三類［7］：1）雙饋式變槳變速機型，是目前大部分企業(yè)所采用的風電技術，技術已成熟，屬風電行業(yè)主流的先進技術。如通用電氣、歌美颯、維斯塔斯、蘇司蘭、華銳、東汽、上海電氣、北重、沈陽華創(chuàng)等公司。2）直驅(qū)永磁式變槳變速機型，是近幾年發(fā)展起來的先進技術，業(yè)已成熟，代表風電技術的發(fā)展方向。如金風科技、湘電風能、上海萬德、廣西銀河、常州新譽等公司。3）失速型定槳定速機型，不是目前市場的主流技術，但技術成熟，運行維護經(jīng)驗相對豐富，設備性能和產(chǎn)能比較穩(wěn)定。如金風科技和浙江運達的600 kW、750 kW機組等。

2.3 山東省風電技術現(xiàn)狀

山東省是東部沿海的風能豐富區(qū)，風能密度大于200 W/m2（相當風速為6.9 m/s）。為加快發(fā)展，山東省規(guī)劃到“十一五”末風電總裝機容量達到1 GW，“十二五”末達到4 GW。2007年5月，山東省發(fā)改委公布了100個省級重點建設項目名單，包括國華榮成風電場二期、國華東營風電場、國華沾化套兒河風電場、山東華能壽光風電場、華能中電威海風電場等5個風電場建設項目，總裝機容量達297 MW。

此外，山東海上風電項目開始啟動，目前已實現(xiàn)風電裝機容量62 MW，年發(fā)電1.3億kW·h。我國第一個海上風電項目——山東長島海上風力發(fā)電場發(fā)展規(guī)劃通過了國家專家評估，一期廟島南部海域50 MW風電場示范工程項目已進入開發(fā)階段，中國海洋石油總公司日前宣布將在今后十年內(nèi)投資210億元，在威海海域建設總裝機容量1.1 GW的全球最大海上風電項目，該項目于2008年10月開始一期建設。

3 中國風電技術發(fā)展前景與展望

我國是最早利用風能的國家，但是與國外經(jīng)濟發(fā)達國家比較技術上仍存在一定差距。隨著國家發(fā)展規(guī)劃與相關激勵政策的不斷出臺，我國風電產(chǎn)業(yè)必將進入一個嶄新的大規(guī)模高速發(fā)展階段。目前，特大型風機設計仍以丹麥型為主導，制造材料更加多樣化，工藝水平不斷提高，設計思想也不斷推陳出新，預計在以下幾個方面會有大的突破。

3.1 風輪葉片設計與制造技術

風輪葉片是風力機的主要動力部件，葉片設計與制造技術涉及葉片材料、葉片結構與氣動性能。傳統(tǒng)的葉片大多采用玻璃鋼制造，主要考慮玻璃鋼的比強度和比剛度高、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞性能好、易成型等優(yōu)點?，F(xiàn)在大型風力機的發(fā)展趨勢是采用高強度輕質(zhì)大容量葉片，主流機組已普遍采用玻璃纖維增強復合材料（GRP），優(yōu)點是可根據(jù)風力機葉片的受力特點設計強度與剛度，翼型容易成型，可達到最大氣動效率。對更大的5～10 MW風力機來說，由于強度與剛度要求更高、自重更大，葉片設計適宜采用價格昂貴的碳纖維材料。上述材料均為熱固性樹脂，目前推出的熱塑性樹脂即所謂“綠色葉片”（Green Blade），具有可回收利用等一系列優(yōu)點，解決了環(huán)保問題，符合現(xiàn)代工業(yè)綠色設計要求［8］。

風輪葉片翼型性能影響著風力機風能轉(zhuǎn)換的效率，傳統(tǒng)的低速風輪葉片采用薄而略凹的翼型，現(xiàn)代高速風輪都采用流線型葉片。據(jù)報道，美國研發(fā)一種新型風力渦輪機，利用一個遮蔽物包圍其風力機葉片，引導空氣通過葉片并給空氣加速，產(chǎn)生的能量與2倍直徑的傳統(tǒng)風力機能量相當，可將風能變成電能的成本節(jié)省一半。

最近，國際上還推出 “未來葉片的概念”（Future Blade Concept），要求更可靠、更耐久地捕獲更多的風能，采用了智能材料和結構實現(xiàn)葉片智能化。如在葉片上埋入光導纖維系統(tǒng)，采用結構健康監(jiān)控技術診斷結構完整性和雷擊情況等，以此提高可靠性并降低風電成本。再如將復合材料氣動彈性剪裁技術（Aero Elastic Tailoring）應用于葉片設計上，利用復合材料的非對稱、非均衡鋪層產(chǎn)生的偶合效應，實現(xiàn)對葉片有利的變形，增加氣動效率。

3.2 傳動機構設計與制造技術

風力機傳動機構包括齒輪機構、軸承、潤滑系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風電機組齒輪箱故障約50%與軸承選型、制造、潤滑和工作狀態(tài)有關［9］。目前，國內(nèi)兆瓦級以上機組的核心部件如電機、齒輪箱、葉片、電控設備和偏航系統(tǒng)等仍然依靠進口，對基礎配件齒輪箱軸承、偏航軸承、變槳軸承及主軸軸承等研究不夠。齒輪箱作為風電機組的重要組成部分，其振動形態(tài)直接影響風力機的運行性能，狀態(tài)檢測極為重要，國內(nèi)還處于探索階段。

3.3 磁懸浮技術

目前，國內(nèi)外有多個關于磁懸浮技術應用于風力機的專利技術報道，特點是降低軸承摩擦阻力，提高了風電效率與使用壽命。磁懸浮風電機組可在微風下運行，工作風速為 1.5～36.9 m/s（即 1～12級風），風輪轉(zhuǎn)動抗湍流能力強，展示了一個全新的發(fā)展方向。

3.4 海上風電場技術

21世紀是世界風電產(chǎn)業(yè)由陸地轉(zhuǎn)向海洋的世紀［3,6］。中國東部沿海水深2～15 m的海域面積遼闊，可利用的風能資源約是陸上的3倍，而且距離電力負荷中心很近，隨著海上風電場技術的發(fā)展成熟，必然成為未來的可持續(xù)能源。

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