1.2 风力发电的现状及应用前景

1.2.1 国内外风力发电现状及发展前景

19世纪末，丹麦最早开始研究风力发电技术。随着煤、石油和天然气等化石燃料资源的日益减少，空气、水源、气温等环境问题日益严重，风力发电作为可替代的新能源引起人们的关注。20世纪70年代，世界发生石油危机后，科学家开始重视利用风力发电，但那时的注意力重心是如何利用陆地上的风能。随着科技的发展，现在已经逐步发展至从陆地到海上风能的全方位的风能利用。

世界风能协会（WWEA）发布的全球风电发展报告显示，1998—2011年，全球风电装机容量都以20%以上的增长速度迅猛发展，截至2015年，全球风电装机容量达432883MW，如图1-2所示。由图1-3可以看出，其中中国和美国占了一半的容量，除中、美之外尚有八个国家可被看作是全球主要风能市场，分别为德国、巴西、印度、加拿大、波兰、法国、英国、土耳其。

全球风能协会（GWEC）发布的统计报告显示，全球风力发电能力在2015年年底达到43242万kW，较2014年年底增长17%，首次超过核能发电。

中国的可再生能源事业发展迅猛，风力发电规模已占全球的约三成。在中国的引领下，亚洲的新增风电装机容量连续多年超过欧洲和北美洲。到2014年年底，亚洲的累计风电装机容量也首次超过了欧洲，位居世界第一位。2015年中国风电并网装机容量超过1亿kW，居全球首位。预计未来五年间，以中国为首的亚洲仍然是增长的主动力，亚洲装机增量有望达到140GW，其中中国有望保持每年25GW以上的装机容量。这说明全球风电产业的重心已经从欧洲移到了亚洲。除中国以外，东欧和南欧国家的风电装机容量也呈现显著增长趋势。

由于陆地资源的逐渐稀少，而海上风能资源具有储量丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少等优点，同时，海上风电的风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小；允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总装机量，可以大规模开发，一直受到风电开发商的关注，因此，海上风电的发展呈现出一派繁荣景象。但是，海上风电也存在施工困难、对风机质量和可靠性要求高等问题。

世界上第一个海上风电场于1991年建于丹麦，由于海上风电的建设难度较大、维护成本高，世界海上风电的建设一直停滞不前。2008年以后，欧洲的海上风电建设开始逐步进入蓬勃发展阶段，2008年和2009年，世界海上风电新增容量连续两年超过50万kW。2014年，全球新增海上风电装机容量1720MW，比2013年同比增长5.46%。

据统计，2015年海上风电累计装机容量为12055MW，新增装机容量3856.1MW，相当于之前三年的新增装机容量总和。到2015年年底，欧洲累计安装3230台海上风电机组，装机容量达到11027.3MW。包括在建的风电场在内，欧洲目前共有84个海上风电场，分布于11个国家。其中，英国的装机容量居首，为5060.5MW，占比45.9%；德国仅次于英国，达到3294.6MW，占比29.9%；丹麦居第三位，为1271.3MW，占比11.5%；紧随其后的是比利时（712.2MW,6.5%）、荷兰（426.5MW,3.9%）、瑞典（201.7MW,1.8%）、芬兰（26MW,0.2%）、爱尔兰（25.2MW,0.2%）、西班牙（5MW,0.05%）、挪威（2MW,0.02%）、葡萄牙（2MW,0.02%）。2016年预计海上风电装机容量将有所下滑，但全球海上市场在2015—2024年的长期发展中仍将保持19%增长率的强劲态势，发展动力主要源于欧洲核心市场及中国。截至2024年年末，预计累计海上风电装机容量将达92GW，占全球风电总装机容量的10%。

从水域分布而言，欧洲海上风电总装机容量中的69.4%集中在北海，达到7656.4MW；爱尔兰海的装机容量为1943.2MW，占比17.6%；波罗的海的装机容量为1420.5MW，占比12.9%；另有7MW的机组吊装在大西洋。

2010—2015年，海上风电机组单机容量增加41.1%。2015年，新吊装机组的平均单机容量为4.2MW，比2010年的3MW有了显著提高，这反映出一定周期内为提升海上风电产出而在机组技术方面做出的持续性改进。2015年，4～6MW的风力发电机组得以投用，而到2018年年底，7～10MW的风力发电机组将会被逐渐引入到海上风电场中。

从世界风能报告中可以看出，全球金融危机的大背景下，近10年风力发电仍保持了快速发展的势头，再次证明，风电产业不但已经成为世界能源市场的重要力量，而且在拉动经济增长和创造就业方面，也发挥着越来越重要的作用。但是，在经过高速发展后一些国家的发展速度开始有所放缓，且随着技术的发展，新的问题也随之出现，如并网运行和最大效益地利用风能等问题。

1.2.2 全球风电产业技术发展及趋势

纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展，目前全球风电制造技术发展主要呈现如下特点：

（1）水平轴风力发电机组技术成为主流。水平轴风力发电机组技术因其具有风能转换效率高、转轴较短，在大型风力发电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风力发电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到95%以上的市场份额。同期发展的垂直轴风力发电机组因转轴过长，风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行，并取得一定进展。

（2）单机容量持续增大。近年来，世界风电市场中风力发电机组的单机容量不断增大。世界上主流机型已经从2000年的500～1000kW增加到2015年的4～6MW，丹麦预计在2018年投产180m（世界上最高）高度的、每个叶片长度达88.4m的8MW风力发电机组，足以满足10000个家庭的用电需求。近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风力发电机组的发展，2007年年底世界上已运行的最大风力发电机组单机容量已达到6MW，风轮直径达到127m。2012年已经开始8～10MW风力发电机组的设计和制造。容量增大必然要求叶片更长、重量更轻、塔架更高、结构更柔，为结构的设计和材料提出更大的挑战。

（3）变桨变速功率调节技术得到广泛采用。由于变桨距功率调节方式具有荷载控制平稳、安全和高效等优点，近年在大型风力发电机组上得到了广泛采用。2006年，全球92%的风力发电机组中采用了变桨变速方式，而且比例还在逐渐上升。我国2007年安装的兆瓦级风力发电机组中，也都是变桨距机组。2MW以上的风力发电机组大多采用三个独立的电控调桨机构，通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

（4）近海风电技术成为重要发展方向。由于海上风能资源比陆地上好，风速比沿岸陆地上约高25%，湍流强度小，且有稳定的主导风向，能够减小机组疲劳荷载，延长寿命。对于陆上风力发电机组占用土地、影响自然景观、噪声、对周围居民生活带来不便以及运输的困难等问题都可以比较好地解决，因而，海上风电场近几年来得到很高的重视，也成为风电发展的主方向。

（5）标准与规范逐步完善。德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家加快完善了风电技术标准，建立了认证体系和相关的检测和认证机构，同时也采取了相应的贸易保护性措施，如欧盟对风力发电的电磁兼容问题实施了强制标准，德国即将实施的风电新标准要求接入电网的风电设备在电网出现短路故障时能提供较大的短路电流，这一规定使德国Enercon公司在竞争中保持了主动地位。自1988年国际电工委员会成立了IEC/TC88“风力发电技术委员会”以来，到目前已发布了10多项国际标准，这些标准绝大部分是由欧洲国家制定的，是以欧洲的技术和运行环境为依据编制的，也为保证产品质量、规范风电市场、提高风力发电机组的性能和推动风电发展奠定了重要基础。

1.2.3 国内风电现状、发展前景及存在的问题

中国现代风电技术的开发利用起源于20世纪70年代初，经过单机分散研究、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论科学研究、设计制造、还是试验示范、应用推广等方面均取得了长足的进步，并取得了很好的经济效益和社会效益。尤其近几年，在国家的政策支持下，我国的风力发电技术保持着快速发展的强劲势头。

我国风能资源主要分布在西北、华北、东北等“三北地区”,2008年以来，在国家能源局的组织下，以各省（自治区、直辖市）和地区风能资源普查及风电建设前期工作为基础，选择甘肃、新疆、河北、内蒙古东部地区、内蒙古西部地区、吉林、江苏沿海这七个风能资源最丰富的省（自治区）和地区，为其设立2020年的发展目标，共建成七个千万千瓦级风电基地，分别为甘肃酒泉风电基地、新疆哈密风电基地、河北风电基地、内蒙古东部风电基地、内蒙古西部风电基地、吉林风电基地、江苏沿海地区风电基地。

根据《中国风电发展路线图2050》，我国并网风电发展分为四个阶段：早期示范阶段（1986—1993年）、产业化探索阶段（1994—2003年）、产业化发展阶段（2004—2007年）和大规模发展阶段（2008年至今）。2006年后，我国风电装机容量呈现爆发式增长。2014年，中国（不包括台湾地区）新增装机容量23196MW，同比增长44.2%；累计装机容量114609MW，同比增长25.4%。新增装机容量和累计装机容量两项数据均居世界第一。2015年，中国新增装机容量30500MW，同比增长31.5%；累计装机容量1.45亿kW，同比增长26.6%。2015年上半年，全国风电上网电量977亿kW·h，同比增长20.7%。综合上述数据来看，国内的现阶段的风电发展已取得巨大的成就。

中国海上风电相对陆上风电发展缓慢。《中国风电发展路线图2050》对我国水深5～50m区域的海上风能资源进行了详细分析，根据对我国陆地和近海100m高度风能资源技术开发量的分析计算结果，我国近海水深5～50m范围内，风能资源潜在开发量达到500GW。中国海上风电从2007年起，在渤海湾安装试验样机，直到2010年东海大桥102MW海上风电场建成，标志着中国首个真正意义上的海上风电场建成。截至2014年年底，我国海上风电累计装机容量为658MW。据GWEC数据统计，2015年中国风电新增装机容量和累计装机容量均位居全球之首，海上风电新增装机容量和累计装机容量分别位居全球第三和第四位。而截至2015年年底，中国海上风电装机容量仅占全国风电装机容量的0.7%。到2020年，预计我国风电总装机容量达到2亿kW，其中海上风电装机容量达3000万kW，年发电量达3900亿kW·h，风电发电量在全部发电量中的比重超过5%。

我国风电发展主要存在几个问题，即发电能力受风速限制较大、设备大型化及控制技术难度大和风电入网难。受材料限制，我国多数风力发电装置在风速3m/s以下不能发电；风电叶片的基材多为玻纤增强环氧树脂，台风来袭时若不拆下叶片就会造成损坏。国内风电的装机容量很大，但折算发电能力满负荷才2300h，利用率不足1/3。近海风电建设成本很高，要求至少是5MW的设备，最好是10MW，但我国技术还达不到国外的水平。自控技术、轴和叶片技术等大型化设备的技术差距制约了风电，特别是海上风电的发展。我国风电入网难，目前规定风电入网比例不能超过10%，其中一个重要因素就是受电网技术制约。

近年来，发生了多起风力发电机组事故，如在施工中塔架倒塌、运行时风力发电机机舱烧毁、大风时塔架基础连根拔起、塔架倒塌、叶片损毁等，造成了很大的经济损失，这无疑为风电的发展敲响了警钟。我们不仅要求发展速度，更要注重风电的质量和维护，这样，风电才能保持较好的发展势头。