刘海勇
(山东电力建设第三工程有限公司 山东 青岛 266100)
摘要：
风能作为一种清洁、绿色的可再生能源，其技术与应用经验日趋成熟，是能源行业中最具规模化开发和商业发展前景的发电方式之一。本文主要对全球及我国的风力发电市场现状及存在问题进行阐述，并对风电的技术及商业趋势进行分析。
关键词：
风力发电；能源现状；平准化度电成本；技术趋势；
一、前言
伴随着传统化石能源的日益枯竭及环境的逐步恶化，太阳能、风能、水能、地热能等可再生新能源的研发与商业运行势头强劲。
其中，风能具有储量丰富、干净无污染、风场建设周期短、运行成本低等优点，且其技术及运行经验已逐步成熟，单机容量越来越大，将是以后取代传统化石能源的主力军之一。
二、全球的能源现状
截止2019年底，全球风电市场累计装机容量已达651GW，较2001年增长约26倍，年均复合增长率约20.12%。其中海上风电累计27GW，占风电市场累计装机容量的4%左右。
仅2019年全年，全球风电市场新增总装机容量为60.4GW，其中中国新增25.7GW，约占全球增量的42.5%；全球海上风电新增5.2GW，其中中国新增1.98GW，约占全球增量的38%；
1）风能与太阳能将成为未来最重要的电力供应能源
随着发电经济性的提高，未来10年将迎来风电与光伏的建设高峰。预估我国新增光伏装机容量约80-160GW/年，新增风电装机容量约70-140GW/年。到2050年，风能和太阳能成为绝对的主力发电能源。下图为机构预估的全球及中国的2050年发电能源构成；
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图01：2050年全球能源构成_据IRENA《全球能源转型路线图2050》预测
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图02：2050年中国能源构成_据《中国可再生能源展望2018》预测
目前，全球风力发电市场已形成欧、亚、北美齐头并进的格局，预计未来数年里，亚洲市场尤其是中国的成长性将最为强劲。
国际能源署在2019年10月21日发布的《全球可再生能源年度报告》指出，到2024年，全球的可再生能源发电量将增长50%，就是说今后5年内，可再生能源新装机发电量将相当于目前全美国的总装机发电量。尤其值得指出的是，在全球大多数国家，可再生能源的发电成本正快速下降到低于煤电的水平。
2）风电的平准化度电成本越来越低
平准化度电成本是国际上最通用的度电成本评价指标，简单来说就是发电项目每千瓦时上网电量所发生的成本，包括项目建设成本、运行维护成本、资产折旧、财务费用、税金等会计成本，以及项目资金占用期间的机会成本等。
目前，全球风电的度电成本仍比较高，复杂地形区域的度电成本整体上比平坦地区要高出6-9分/度，尤其是我国的陆上风电度电成本远高于常规燃煤电站，是阻碍风电发展的因素之一。
与此同时，随着技术进步和制造工艺的日益成熟，风电的度电成本逐步降低，据有关机构评估，中国陆上风电的度电成本在未来十年内有望降至0.34元/度；
三、风力发电的技术趋势：
未来数年里，风电领域的技术进步和产品更新将不断加速，从而满足不同的项目开发条件，降低风电的度电成本，助力风电成为未来的主流电力能源，其技术进步及发展趋势主要包含以下几个方面：
1）风电机组大型化
如今，风电机组大型化正逐步成为世界风电发展的必然趋势。其整体发展趋势“更高塔架、更大叶轮、更大容量”。国际权威资讯机构FTI最新统计数据显示，全球风电机组平均单机功率2.5MW。英国的平均单机功率已达3.8MW，这是技术进步和发展的必然。
在“2019北京国际风能大会”上，明阳智能推出了MySE5.0-166陆上风电机型。该机型采用了半直驱传动技术、差动功率分流技术、碳玻混叶片等多项国际先进技术，将我国的陆上风电带入了“5MW时代”，可实现平价要求，度电成本做到了可与火电竞争的水平。
2）叶片大型化、轻量化、模块化
在风电机组大型化趋势下，叶片的载荷和重量不断增大，风机叶片的轻量化、高强度、低成本成为其主要发展方向。
目前全球已生产的最大风机叶片是由LM Wind Power生产的LM 107.0 P型叶片。该叶片长度为107米，用在12MW海上风机上。叶片安装完后，整体的风机高度会达到260米。
我国发改委和能源局已下发文件，要求“把高效叶片气弹、轻量化结构、新材料相结合的一体化设计技术和100米及以上风电叶片列为未来风电技术创新重点突破目标”。风电的大型化方向已明朗，叶片长度越来越长，对材料类型与性能、气动与结构设计、制作工艺等要求也越来越高。
叶片的大型化设计会导致叶片翼型结构更复杂、叶片更长、受力更大，对其制造工艺及质量提出更严格的要求，且其运输成本、安装成本均将大幅增加。因此对叶片模块化技术的需求日益迫切，例如将一根长叶片拆分成2-3组模块化叶片，既利于叶片的生产制造，更利于其运输及现场安装。
面对上述诸多挑战，业内普遍认为，当前叶片发展进入了一个新常态，需多个方向同步完善，如采取精细化设计、模块化设计、改进生产工艺、差异化的刚度设计，精细化的强度校核、应用新材料等。
3）涡轮导流罩
传统的风机叶片设计在叶根部几乎是没有翼型的，以对抗荷载的分布和保证机械结构的稳定。很多公司及研究机构都在尝试新颖的导流方式和捕风结构，以便能用更少的材料捕捉更多的风能。
比如GE设计的ecoROTR 涡轮整流罩，将一个半球型导流罩置于叶轮前方，以便将风推往远离叶根的、有翼型的、捕风效率较高的部分，从而捕获更多风能。专业人士预估因此能提升约3％的风电机组性能。
4）一体化传动链
成熟的风机平台有更高的可靠性保证，基于成熟平台开发的风机产品，可共享超过50%的核心零部件，相较于全新的产品设计，可从根本上控制产品更新换代的成本。
研发人员目前正在研究如何用更先进的模型计算和结构设计来完成颠覆性的一体化齿轮箱发电机传动系统。一体化的传动链不仅可大幅减少机舱内的大型部件尺寸和材料成本，也提供了更高的可靠性和成本下降空间。
5）超导发电机
超导发电机的转子线圈安装在真空环境中，使用压缩氦气控制在77K 临界转化温度以下，实现转子超导状态。超导体的零电阻特性可以在一定程度上解决发电机散热问题，可大幅提高发电机功率密度，比传统永磁发电机提升可达50%。但由于系统的复杂性，也会对机组可靠性和后期运维成本提出挑战，这些都是
未来发展中亟待解决的问题。
6）塔筒优化
相对于目前主流的风机塔筒，框架式结构塔采用模块化组装式设计，标准化程度较高，其部件可直接采用集装箱或常规货车运输，可现场组装，安装拆卸方便，底部结构更宽敞牢固，并且框架结构塔还可做得更高，捕捉更多的风能并降低成本。
7）数字化风场（风电场全生命周期与数字化融合）
当前，传感检测、大数据、云技术、人工智能、工业互联网等技术的发展如火如荼，将直接助力企业实现数字化转型。
就风电行业来讲，目前对风场的资源评估、风场选址、机组选型等工作多依赖于个人经验及现有软件的模拟，在地形复杂、风机机型与塔高混合排布、尾流影响较为突出的风场中很难进行精准设计。而采用数字化风场设计可精准的对地形及风场进行计算，能更精确的预判风场的潜在发电能力，不仅可提高发电能力，也可提高风电场的可利用率，在提高发电收益的同时节约了维护成本。保守估计，风电场全生命周期内的与数字化融合技术可降低度电成本约1.7-1.9分/度。
四、风电市场目前存在的主要问题：
全球风电行业经过前些年的高速增长后，目前已达到稳步增长的状态，且有成为未来电力能源的主力之势，但风电发展过程中仍有以下几个瓶颈问题：
1） 风能资源的不确定性：
由于气流不断变化，因此风的脉动、日变化、季变化都非常不稳定。而这些波动性、间歇性等特点造成风力发电具有较大的不确定性，可能导致电网频率及电压的波动、系统稳定性变差，难以保证不间断稳定供电。
2） 风能资源的分散性：
受地域分布及地形影响，不同地区的风力差异非常明显。即便在同一地区，有利地形下的风力也往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。因此风能资源受地理位置限制严重，具有很强的分散性，尤其是陆上风电，如我国风能资源最丰富的地区多集中在三北地区。
而风能资源的分散性也是目前我国陆上风电消纳困难，弃风限电现象比较严重的主要原因之一，我国风能资源分布地区大都远离人居中心，电源结构单一，缺乏调峰能力。且电网的跨区输电能力不足，造成风电发出的电量无法就地消纳，但又不能有效的输送给其他用户,故而出现弃风限电现象，此问题在甘肃、新疆等地尤为明显。
3） 风能资源的经济性：
如上所述，风能资源具有较强的间歇性，随季节变迁而变化，且每天也难以保证24小时连续发电，很多风电场在一年内只有30%-40%的时间处在满发状态。尤其比如我国台湾等地，在电力需求较高的夏季及白天，风力反而较弱，需要配以完善的储能技术才能满足正常电力需求。同时，风力发电厂的建立需要占用大量土地，即便采用分散式风场能够解决一部分问题。
另外，因风电项目的度电成本对比火电厂依然比较高，我国很多风电项目的立项受政府补贴政策影响较大，若国家取消补贴，风力发电厂的运行和维护成本压力将会很大。
4） 风能的转换效率低：
目前大型煤电的能量转换效率可达45%，热电联产可达70%，油气联合循环电站效率可达63%，抽水蓄能电站综合效率接近80%，而风力发电的能量转换率约为30%-40%，明显低于其他能源，主要是因为风能的能量密度低，叶片转换效率较低等原因；
五、结束语
虽然现在的风电行业还存在着一些技术性或经济性的问题，但风能以其独特的优势在全球电力市场中的份额日益增大，并很有可能成为未来几十年内最主要的电力能源，有着极其广阔的开发及应用前景；
参考文献：
[1]董路影.《中国可再生能源展望2018》及《可再生能源市场报告2018》成果联合发布[J].中国能源,2018,40(12):44.
[2]刘光辉.风电不确定性对系统的影响研究[J].山东工业技术,2017(16):220.
【作者简介】
姓名：刘海勇 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：工程师
邮箱：haiyong.liu@sepco3.com 邮编266100