我國大型風電技術現狀與展望

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

隨著全球社會經濟的不斷發展，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力度。風能是目前適合大規模開發利用的可再生能源，風電不排放任何有害物質，也不存在移民問題，不僅能夠減少溫室氣體排放、保護生態環境安全，也是改善電力能源結構、實現社會經濟可持續發展的必由之路。經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、發電效率、系統安全與可靠性、系統控制、風電場選址等方面積累了豐富的經驗與成果，為不斷降低風電成本和擴大可經濟利用的風能資源奠定了基礎。目前，國外商業化風電機組的可利用率達到了98%，風電占電網容量的比例可以達到20%，風力發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，已經接近或優于常規化石能源發電，成為電力工業中增長速度最快的電源［1-2］。

風力發電的利用方式主要有離網型和并網型兩類。離網型風電機組是一種獨立運行的供電系統，適宜偏遠的山區、草原和海島等小型獨立用戶，一般利用小型風力機發電，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電機或光伏太陽電池組成混合供電系統，裝機容量約10～200 kW，適合解決小的社區用電問題［1］。并網型風電機組是大規模利用風能的最經濟的方式，單機容量為150 kW以上，一般由多臺單機組成風力發電場（Wind Power Plant）。風電場建設受到風能質量、湍流強度、交通、環境、地質等因素影響，要求利用效率高、風電成本低、對環境植被與生態影響小、不造成環境光學與環境噪聲污染等。

進入21世紀，我國逐步將風電作為電力工業的重要組成部分，加快了規模化產業的發展。但是，與國外經濟發達國家比較，我國風電發電成本為0.7～0.9元/kW·h，風電產業的發展在開發規模、開發水平、技術創新和設備制造等方面仍存在一定差距。

1 國外風電技術現狀

19世紀末，丹麥建成了人類第一座風力發電站，是最早開發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，年發電量超過200 TWh，約占全球總發電量的1.3%。根據世界風能協會的統計結果［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2006年世界風電市場統計報告，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；省去發電機軸承，發電機直接與齒輪箱相連，直接置于驅動系統、從而使轉矩引起振動最小；采用變速箱系統，將多極發電機與風輪直接相聯；調向系統放在塔架底部；整個驅動系統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展趨勢呈現了以下特點［5］：

1）單機容量向大型化發展。為了降低單位造價及發電成本，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展。變速運行風電機組具有發電量大、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等優點，已成為風力發電機組的發展方向。

3）定槳距向變槳距方向發展。變槳距風力發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點，因而是大容量風電機的發展方向。

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成本。目前，主流機組已普遍采用輕質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［3］。風電設備制造商一方面努力擴大產能，批量化生產現有產品，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的浮吊已經普及應用。海上風速大且穩定，年平均利用小時可達3 000 h以上，年發電量可比陸上高出50%。歐洲風能協會（EWEA）預測，2020年全球海上風電機組裝機容量將達到50 GW［6］。

2 中國風電技術現狀

2.1 中國風電裝機總量

我國風能資源豐富，適合大規模開發，應用前景廣闊。自1986年在山東榮成建成國內第一個示范風電場以來，經過20多年的努力，風電場裝機容量不斷擴大，已經進入一個新的規模化發展時期。據中國風能協會公布的數據，截止到2005年底，全國風能資源豐富的15個省、市、自治區及特別行政區（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展規劃目標》提出，到2010年新增風電裝機容量10 GW，到2020年達到30 GW，約占國內發電總裝機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。據2006、2007和2008三年統計數據［4］，全國并網風力發電容量分別達到年增長率為105.3%、127.3%和105.8%，實現飛躍性的發展。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位的省（市、自治區）及其份額如表 3所示［4］。 其中，內蒙古、遼寧、河北、吉林及黑龍江列全國風電裝機容量前5位，這5個省（區）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）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市場份額呈現進一步集中的趨勢，反映了風電產業具有區域性及資源依賴性的特點。

2.2 中國風電產業特點

我國的風電產業起步較晚。上世紀80年代初，我國將風力發電列為農村電氣化的措施，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能力，還有一定數量出口國外。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的重要組成部分，加快了規模化產業的發展。“十五”期間，國家863計劃支持了國內數家企業研制MW級風力發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失速型風電機組產品化與產業化的技術攻關。

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）風電裝機情況對比

截至2007年，國內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12家，合資企業7家，外商獨資企業4家［7］。據2006年累計風電設備市場份額統計，國產企業已占22.7%。目前，國內主要風電機組600 kW和750 kW定槳距失速機型已經通過了市場驗證與考核，數家企業批量生產，國產化率達90%，相當于國際上二十世紀90年代中期的水平。國內自主研發的1 200 kW直驅式永磁風力發電機組于2005年4月完成吊裝投入試運行，在產品升級換代方面邁出了重要的一步。國內引進的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，標志著國產兆瓦級變槳變速技術取得進展。我國具有完全自主知識產權的1 500 kW風力發電機組于2006年10月21日在沈陽正式出廠，標志著中國在風電產業方面又邁進一步。在國家風電設備國產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，是目前大部分企業所采用的風電技術，技術已成熟，屬風電行業主流的先進技術。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、沈陽華創等公司。2）直驅永磁式變槳變速機型，是近幾年發展起來的先進技術，業已成熟，代表風電技術的發展方向。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，運行維護經驗相對豐富，設備性能和產能比較穩定。如金風科技和浙江運達的600 kW、750 kW機組等。

2.3 山東省風電技術現狀

山東省是東部沿海的風能豐富區，風能密度大于200 W/m2（相當風速為6.9 m/s）。為加快發展，山東省規劃到“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，目前已實現風電裝機容量62 MW，年發電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電場發展規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階段，中國海洋石油總公司日前宣布將在今后十年內投資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 中國風電技術發展前景與展望

我國是最早利用風能的國家，但是與國外經濟發達國家比較技術上仍存在一定差距。隨著國家發展規劃與相關激勵政策的不斷出臺，我國風電產業必將進入一個嶄新的大規模高速發展階段。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、易成型等優點。現在大型風力機的發展趨勢是采用高強度輕質大容量葉片，主流機組已普遍采用玻璃纖維增強復合材料（GRP），優點是可根據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點，解決了環保問題，符合現代工業綠色設計要求［8］。

風輪葉片翼型性能影響著風力機風能轉換的效率，傳統的低速風輪葉片采用薄而略凹的翼型，現代高速風輪都采用流線型葉片。據報道，美國研發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，產生的能量與2倍直徑的傳統風力機能量相當，可將風能變成電能的成本節省一半。

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葉片智能化。如在葉片上埋入光導纖維系統，采用結構健康監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、非均衡鋪層產生的偶合效應，實現對葉片有利的變形，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、狀態監測系統等。統計數據表明，風電機組齒輪箱故障約50%與軸承選型、制造、潤滑和工作狀態有關［9］。目前，國內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，其振動形態直接影響風力機的運行性能，狀態檢測極為重要，國內還處于探索階段。

3.3 磁懸浮技術

目前，國內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），風輪轉動抗湍流能力強，展示了一個全新的發展方向。

3.4 海上風電場技術

21世紀是世界風電產業由陸地轉向海洋的世紀［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展成熟，必然成為未來的可持續能源。

［1］ 施鵬飛.風力發電在中國的現狀和前景 ［J］.水力發電學報，1998，62(3)：1-14.

［2］ 趙永強，李俊峰.風力發電技術發展狀況與趨勢分析［J］.中國科技產業，2006，（中國能源科技專輯）：69-71.

［3］ 施躍文，高輝，陳鐘.國外特大型風力發電機組技術綜述［J］.電網技術，2008，32(18)：87-91.

［4］ 蔣莉萍.2008年國內外風電發展情況綜述 ［J］.電力技術經濟，2009，21(2)：12-15.

［5］ 周燕莉.風力發電的現狀與發展趨勢［J］.甘肅科技，2008，24(3)：9-11.

［6］ 宋礎，劉漢中.海上風力發電場開發現狀及趨勢［J］.電力勘測設計，2006，(2)：55-58.

［7］ 祁和生.我國風力發電機組總裝企業現狀 ［J］.中國科技投資，2008，(1)：61-64.

［8］ 陳紹杰，申振華，徐鶴山.復合材料與風力機葉片［J］.可再生能源，2008，26(2)：90-92.

［9］ 王晶晶，吳曉鈴.風電齒輪箱的發展及技術分析［J］.機械傳動，2008，32(6)：5-8.