1.2 风力发电的发展与现状

1.2.1 发展史

人类利用风能的历史可以追溯到公元前，至少有3000年，当时风能主要用来助航、提水灌溉等。约公元1000多年前，人们就掌握了帆船技术，即靠直接推动风帆来利用风能，然而机械能不能远距离传送，而电能可以利用电网远距离输送。因此，转化为电能成为风能的主要利用方式，即利用风轮收集风能，将其转变为机械能，通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能并利用电网远距离输送。但是由于风能的能量密度低，且具有间歇性和波动性，其可控性和稳定性不如常规能源。

近年来，由于风力发电对环境影响小、发电成本低、技术发展快且规模效益显著，已成为发展最快的新型能源，开始大规模进入电网。但与传统能源发电几乎同时出现的风力发电，却经历了近百年的技术积累阶段。风力发电的发展过程可以分为以下阶段：

（1）19世纪末至20世纪60年代末，风能资源的开发尚处于小规模的利用阶段。美国的Brush风力发电机和丹麦的Cour风力发电机被认为是风力发电的先驱。1887—1888年冬，作为美国电力工业的奠基人之一，Charles F.Brush在俄亥俄州安装了第一台自动运行的风力发电机。这台电机叶轮直径17m，有144个由雪松木制成的叶片，运行了约20年，用来给他家地窖里的蓄电池充电。不过，由于低转速风力发电机效率不可能太高，这台发电机的功率仅为12kW。1891年，丹麦物理学家Poul La Cour发现，叶片较少、旋转较快的风力发电机效率高于叶片多、转速慢的风力发电机。应用这一原理，他设计了一台使用4个叶片、发电能力为25kW的风力发电机。丹麦由于能源相对匮乏，所以风力发电技术得到了持续的发展。1918年第一次世界大战结束时，丹麦已经建成了几百个小型风力发电站。1957年在丹麦Geders海岸安装的200kW风力发电机，具有三个叶片，带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，标志着“丹麦概念”风力发电机的形成。与此同时，在美国和德国，各种风力发电机的设计概念也先后出现，虽然一些风力发电机因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，但这一阶段对各种类型风力发电机的试验，为20世纪70年代后期的大发展奠定了基础。

（2）1973年的石油危机之后，风力发电由小型逐渐向大中型发展。20世纪70年代连续出现了两次能源危机（1973年和1979年），世界范围内能源价格一路上涨，风力发电的发展得到一些国家政府的大力支持，许多直径超过60m的大型风力发电机被建立起来用于研究和验证。丹麦由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竞争中成为商业赢家。丹麦的Tvind 2MW风力发电机，是风力发电机革命中的佼佼者。这台机组是下风向变速风力发电机，叶轮直径为54m，发电机为同步发电机，通过电力电子设备与电网相连。美国加利弗尼亚州80年代开始了风能发展计划，成千的风力发电机被密密麻麻的布置在加州的山坡上，出现了加州风电潮。具有代表性的还有德国的GROWIAN（风轮直径100m，3MW），是当时世界最大的风力发电机组，曾引起广泛关注。但这些大型风力发电机的开发都或多或少的碰到了各种技术问题而未能长期运行。在这些研究实践中，积累了大量的技术和经验。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。随着风力发电机产业商业化的逐渐成熟，丹麦当时一些农用机械生产商，如Vestas，Nordtank和Bonus等纷纷开始进入风力发电机生产行业。由于这些公司有丰富的工程机械知识，因而他们很快就在丹麦的风力发电机行业占据主导地位，进而在世界市场占据重要位置。这些对世界风力发电制造业无疑起着巨大的推动作用。

（3）20世纪90年代后开始进入现代风力发电技术阶段，风力发电开始大规模发展。经过了近百年的技术和经验的积累，加上风力发电机产业的商业化，大型风力发电机组的技术日渐成熟。大规模的商业应用首先出现在北欧，1995年丹麦建成的赖斯比·合德风电场装有Bonus能源公司的40台600kW型风力发电机，是当时丹麦最大的风电场。恩德公司于1995年制造了世界第一台兆瓦级风力发电机组，而Vestas公司的1.5MW样机建于1996年。兆瓦级风力发电机市场真正起飞于1998年，而之前600～750kW风力发电电机组是主流机型。从那时起，市场趋势才越来越清晰，即向着更大的项目、更大的风力发电机发展。目前，1.5～2.5MW的风力发电机组已成为市场的绝对主力机型。一般来说，综合风力发电机制造、吊装等因素，单机容量越大，风力发电机单位千瓦的造价就越低。基于经济效益的优势，风力发电机单机容量将朝更大方向发展。

1.2.2 现状

在过去的20年里，风力发电发展不断超越其预期的发展速度。从2001—2010年，全球风力发电累计装机容量实现了连续10年接近30%的年均增长速度，即每3年全球风电装机容量就要翻一番。从2009—2013年，风电装机的增速放缓，但全球风电市场规模仍扩大了几乎200GW。2013年全球风电新增装机容量为35.5GW，累计装机容量已达到318GW，预计2015年全球装机容量将到600GW，2020年将超过1500GW。

欧美曾主导了风力发电的发展，但目前及今后一段时间内全球的风电格局会出现新的变化：美国因“风电税额抵免政策”结束呈现不确定性，欧洲市场保持稳中有升；亚洲则成为风电的主要发展力量，而拉丁美洲和非洲潜力巨大，2013年全球风电新增装机容量的绝大部分出现在新市场，亚洲、非洲和拉丁美洲正在拉动全球市场的发展。在全球已经有风电商业运营项目的75个国家中，超过24个国家装机容量已逾1GW。其中欧洲16个，亚太地区4个（中国、印度、日本和澳大利亚），北美3个（加拿大、墨西哥、美国）以及拉丁美洲1个（巴西）。

随着大型机组技术的成熟，风电的装机容量在大幅增长，同时风力发电机组由陆地走向了近海。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风力发电机组在近海风力发电场的商业化运行是国内外风能利用的新趋势。随着风力发电的发展，欧洲陆地上的风能利用正趋于饱和，海上风力发电场将成为未来发展的重点。1991年丹麦在南部的洛兰岛以北海域修建了世界上第一个海上风电场，由11台Bonus公司450kW失速型风力发电机组成。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。2010年9月23日，英国东南部的Thanet海上风电场正式开始并网发电。该风电场由100台Vestas的V90风力发电机组成，总装机容量为300MW。如今，全球海上风电装机容量已达5415MW，占风力发电总装机容量的2%。其中90%以上的风力发电场建在北欧，包括北海、波罗的海、爱尔兰海以及英吉利海峡；剩下的大部分是位于中国东部海岸的几个示范项目。到2020年全球海上风电总装机容量可能会达80GW，其中3/4在欧洲。

近几年中国风电产业发展迅猛，无论从装机容量还是发展规模上看，都已成为名副其实的世界风电大国。中国风能资源与美国接近，远远高于印度、德国、西班牙，属于风能资源较丰富的国家。中国风能潜力巨大，陆上加海上的总的风能可开发量约有1000～1500GW。中国不但在风能资源上适合发展风电，国家在政策上也重点鼓励、重点支持风力发电发展建设，使中国风力发电很快进入了大规模稳步发展阶段。2005—2009年连续5年风电总装机翻番，实现飞越式发展。但中国风电在2010年达到最高增长后进入了行业整合期，经历了连续2年的低迷之后，中国的风力发电行业从2013年下半年开始逐步回暖。中国再次成为全球风电新的增长点，2013年中国市场的增量最大，占总增量约2/5。中国目前风电的总装机容量和新增容量均居世界第一，2013年风电装机容量达到了91.4GW，逾1000亿kW·h的发电量已超过核电，进而成为我国第三大电源。

为使中国到2020年时非化石能源占一次能源比重达到15%，2020年的规划已定为2亿kW。未来风电发展继续按照“建设大基地、融入大电网”的方式，推进风电的规模化发展，加强海上风电开发建设。但由于风电基地的消纳问题突出，一些地区弃风限电严重。相比于大基地对并网条件较高的要求，分散式风力发电项目由于具有靠近负荷中心、投资少、线路损耗低等优势而逐步受到重视。因此，同时提出了“有序推进大型风力发电基地建设”和“鼓励分散式并网风力发电开发建设”的发展思路。