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21世纪风力发电前景
施 鹏 飞

(国家电力公司水电水利规划设计总院,北京 100011)

 
摘要:从技术评价、资源潜力、经济性和障碍分析、政策机制等方面论述风力发电在21世纪的发展前景;在风电配额、上网电价、售电增值税及银行贷款等方面,提出政策性建议。

关键词:风力发电;风能资源;风电场

Abstract: This paper elaborates the prospect of wind power generation in the 21st century in terms of technology evaluation, potential of wind energy resources, economics and barrier analysis, as well as policy mechanism etc.; puts forward the proposals resulting from policy, on wind power quota, tariff on the wind ward side, value-added tax on electricity sales and bank’s loan etc.

Key words: wind power generation; wind energy resources; wind power farm

中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:1004-9649(2000)-09-0078-04

人类利用风能有悠久历史,如风帆和风车是蒸汽机出现之前重要的动力装置。1891年丹麦人发明风力发电机组后,成为解决偏远地区用电的有效手段之一。我国从70年代末期自选开发了多种微型(100W~1kW)充电用的风电机组,在牧区和海岛得到迅速推广,促进农村电气化,而且初步形成产业,年产量超过1万多台,居世界第1,有的产品还销售到国外市场。独立运行的风电机组也可与柴油发电机或太阳能电池组成互补系统,在新世纪中为电网不能通达地区做出重要贡献。70年代发生石油危机后,世界各国用现代技术研究开发大型联网风力发电机组取得重大进展,可靠性提高,成本下降,开创了一个新兴产业。由于良好的环境效益,特别是减排二氧化碳(CO2)的作用,得到各国政府激励政策支持,成为发展最快的清洁电源。

1.风力发电技术简介

风力发电机组 (简称风电机)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机最主要的部件,由浆叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形,在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转,将风能转换成机械能,再通过齿轮箱增速,驱动发电机转变成电能。在理论上,最好的风轮只能将约60%的风能转换为机械能。现代风电机风轮的效率可达到40%。风电机输出达到额定功率前,功率与风速的立方成正比,即风速增加1倍,输出功率增加8倍,所以同力发电的效益与当地的风速关系极大。由于风速随时在变化,风电机常年在野外运行,承受十分复杂恶劣的交变载荷。当前生产的主力机型为600~750kW,机体庞大,风轮直径和塔架高度都达到40~50m,设计和制造较困难。目前风电机的设计寿命是20a,要求经受住60 m/s的11级暴风袭击,代表机组可靠性的可利用率要达到95%以上。

风力发电的利用方式主要有2类,一类是独立运行供电系统,即在电网未通达的偏远地区,用小型风电机为蓄电池充电,再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电,单机容量一般在100W~10 kW,或采用中型风电机与柴油发电机或光伏太阳电池组成混合供电系统,目标系统容量约10~200 kW,解决小的社区用电问题;另一类是作为常规电网电源,联网风力发电是大规模利用风能最经济的方式。商业化机组单机容量为150~1 650 kW,即可单独并网,也可由多台甚至成百上千台组成风力发电场,简称风电场。风电场与常规火电厂和水电站比较,由于单机容量小,可分散建设,资金较易筹集,基建周期短,有利于资金周转,及早还贷。 过去20 a风电技术进步很快,高科技含量大,机组可靠性提高,单机容量2 000 kW以下的技术已成熟,虽然目前风电机成本还较高,随着生产指增大和技术改进,成本仍将继续下降。风电的突出优点是环境效益好,不排放任何有害气体和废充物,不需移民。风电场虽然占了大片土地,但风电机基础和道路实际使用面积很小,不影响农田和牧场正常生产。多风的地方往往是荒滩或山地,建设风电场却开发了旅游资源。由于风速是随机变化的,风电场却开发了旅游资源。由于风速是随机变化的,风电的不稳定性会给电网带来一定影响,目前许多电网内都建设调峰用的抽水蓄能电站,使风电这个缺点得到克服。

2.风能资源评估

太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能,风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量,它与风速的立方和空气密度成正比。

太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究,考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约,如景观和噪音影响等,取具有风能资源土地面积的4%推算,可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kW·h/a。另外,海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源,且平均风速大、湍流小,仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kW·h/a,比欧盟12国目前的年用电量2万亿kW·h还大,如按年满功率发电2 500h计划,则装机容量可达12亿kW。

中国气象科学研究院估计,中国10m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿kW。如果年满功率发电按2 000~2 500h计,风电的年发量可达5 060~6 325亿kW·h,说明中国风能资源丰富,但可供经济开发的风能储量有多少尚需进一步查明。中国东部的浅海海域面积辽阔,风能资源更丰富,风速较稳定,靠近我国东部主要用电负荷区域,具有建设海上风电场的巨大潜力,初步估计约为陆上风能资源的3倍,即7.5亿kW,应开始对岸外浅海区域的风能资源进行勘测.中国风能丰富的地区主要颁在西北、华北和东北的草原或戈壁及东部、东南沿海入岛屿,这些地区一般缺少煤炭等常规能源,冬春季风大、降雨量少,夏季风小、降雨量大,与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。


3.国外风电发展现状

世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成,但由于技术和经济等方面原因,风力发电一直未能成为电网中的电源。直到1973年发生石油危机,美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源,投入大量经费,用新技术研制现代风力发电机组,80年代开始建立示范风电场,成为电网新电源。到了90年代对环境保护的要求日益严格,特别是要兑现减排CO2等温室效应气体的承诺,风电的发展是法律规定全部收购再生能源发出的电量,且必须在电源中占一定比例;另外还有对风电投资的补贴、税收减免和鼓励电价。风电与常规电源的价差是用征收火电CO2排放税,或从火电用户分摊再生能源发电份额中进行补偿。

风电技术经过20 a的开发日臻成熟,商业化机组的单机容量从55 kW增加到1 650 kW,风电成本从20美分/(kW·h),持续下降到5美分/(kW·h)(见不1),运行可靠性和发电成本接近常规火电,迅速发展成为初具规模的新兴产业。1999年全世界对风电的投资额超过20亿美元,装机容量比1998年的1 015万kW增加378万kW,增长速度为37%,累计达到1 393 万kW,发电230亿kW·h。丹麦是开发风电最早的国家,而且当前在风电机技术和生产方面仍牌领先地位,1999年丹麦全国风电装机174万kW,占发电总装机容量的15%以上;德国风电装机444万kW,超过美国(245万kW)居世界第1;风电装机达到10万kW的国家还有西班牙(181万kW)、印度(104万kW)、荷兰(43万kW)、英国(36万kW)意大利(28 kW)、瑞典(22万kW)和希腊(16万kW)等。

风电机技术开发的趋势是重量更轻、结构更具柔性,直接驱动发电机(无齿轮箱)和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电装机在电力系统中的比例越来越大,对系统的影响日益明显,已开始利用天气预报技术预测风电场功率输出,优化电网运行调度。

许多国家积极开发海上(岸外)风电场,特点是风速高、发电量大;湍流小,减少机组疲劳载荷,处长使用寿命,如陆上20a,海上可能25a;但接入电力系统和机组基础成本高,占总投资的一半以上。海上风电场研究开发的主要课题有海底风电机基础结构,将基础设计寿命提高到60a,第1台风电机报废后,第2台可继续使用同一个基础;另外开发单机容量2 000~5 000 kW的超大型风电机,将来海上风电场的发电成本有可能与陆上相同。

4.中国风电场开发现状

1986年4月我国第1个风电场在山东荣城并网发电。从1989年起,全国各地陆续引进机组建设风电场,装机容量逐年增长,规模在1万kW以上的有新疆达坂城(见图1)、广东南澳(见图2)、辽宁东岗、内蒙古辉腾锡勒和浙江括苍山等。

原电力部1994年规定电网管理部门应允许风电场就近上网,并收购全部上网电量;上网电价按发电成本加还本付息、合理利润的原则确定,高出电网平均电价部分,其价差采取均摊方式,由全网共同负担,电力公司统一收购处理。1998年1月1日起大于300 kW的风电机免征进口税和附加增值税,有利于风电场开发。

5.风电成本

1998年欧洲风轮直径45m的风电机(额定功率600 kW)满功率发电小时数约2 500 h, 发电成本测算为0.43元(kW·h)。国内风电成本测算得到的风电表态平均财务成本在还本付息期(1~7a)内风电平均成本为0.551元/( kW·h),目前风电的使用期平均总成本费用接近新投资的水电和火电,但为了偿还贷款,在还货期内的上网电价仍比常规电厂高出许多,由于社会效益好,因此需要政府支持和激励政策。

6.环境影响

在风电机制造过程或风电场土建施工中, 没有特殊要求的材料或加工工艺。丹麦生产的大型风电机,其制造过程中所消耗的能源在投产运行后3~4个月内即可补偿。现代风电机的设计寿命是20~30a。风电机报废后,可按常规方法处理。风电机在制造和运行过程中不排放任何有害物质,因此对健康和生态没有不利影响。风电对减排CO2贡献取决于它所替代的电量是用何种化石燃料生产的。丹麦BTM咨询估计2005年当风电占世界总发电装机的10%时,可减排CO214亿t。 7.实施障碍

开发风电主要是环境效益,需要具体的立法支持,可再生能源的开发当成为一项义务。(1)风电上网电价过高。国内的实际情况是风电场很难获得保投资者的利益及风电场建设的积极性,简单的办法就是给风电定一个较高的上网价格,确保风电场投资者或开发商能偿还贷款及利息。(2)政策。税收方面只实行优惠的关税政策以推动风电机进口,而仍没有任何关于风电增值税和所得税方面的优惠措施。由于风电没有火电的燃料进项抵扣,实际交纳的增值税比火电高。银行方面没有低息长期贷款,在7 a的还贷期内风电上网电价很高。而风电高于火电的价差目前规定在省级电网内分摊,造成开发风电越多负担越重,西部经济落后地区如新疆和内蒙古已难以承受,没有风能资源的省区却无需负担。(3)体制。在目前体制下,如果缺少当地电管部门的支持,风能很难得到大规模发展。在风力发电行业内部没有建立起效的市场竞争机制。现在没有足够投资的原因不是由于资金有限造成的,很大程度上是由缺乏相应的投资政策和法规。

目前风电的作用主要不是为满足电量需求,而是提供了一条减排CO2等温室气体比较经济的手段,社会对比了解甚少。在常规能源并不短缺的情况下,只有减排压力加大,风电才能得到更快发展。风电的社会效益比经济效益更重要,因此风电高于燃煤为电的价差应由全社会承担;否则,风能资源丰富的省区开发风电越多负担越重,而火电排污严重但没有风能资源的省区承担相应的清洁电源份额。

8.展望

国际上由于风电能在减排温室气体方面发挥作用,所以得到各国政府的鼓励。目前每年增加200多万kW装机容量,技术进步和规模的扩大使发电成本继续下降,估计10 a后完全可与清洁的燃煤电厂竞争,成为可持续发展的能源结构中重要组成部分。欧盟国家风电发展目标是2000年达到800万kW(实际上1999已超过900万kW),2010年达到4 000万kW,2020年达到1亿kW,届时风电的比例将超过10%。

国内按当前实施的政策预计2005年风电装机可达150万kW。到2010年累积总装机约300~500万kW。到2030年累积总装机约8 000万kW;2050年累积总装机约2亿kW。

在2001~2005年期间,应加强东北三省、内蒙古东部、河北北部及整个沿海陆地岛屿的风能资源详查,找出能建设400万kW风电场的场址,并开始对岸外海上风能资源进行普查,找到几个可建设示范海上风电场的场址。除继续利用外国政府软贷款和国际金融组织的优惠贷款外,争取国内银行能提供还贷期为15 a的贷款,从而避免过高的还本付息电价。政府将鼓励采用国产机组建设风电场的业主,以贴息方式补偿国产机组示范风电场的风险,开拓市场,拉动国内总装和零部件制造,提供批量生产和改进产品的机会,降低机组成本。从2006~2010年,国内制造的整机和零部件成本较低,在新增容量中要占70%,这期间应开始建立示范海上风电场。2011~2015年,由于环境指标要求更加严格,火电成本上升缩小了与风电的价差,有利于风电的商业开发,累积装机约在500~700万kW,替代火电的电量125~175亿kW·h,海上风电场也将进入规模发展阶段。2030年时,风电可能会占全国总装机容量的10%,届时海上风电场技术更加成熟,成本明显下降,进入大规模开发时期。到2050年风电的经济效益会有明显的优势。

9.政策建议

(1) 风电配额:制定出按常规火电污染排放量分配比例,由全国所有省区共同分摊的政策。(2)风电上网电价:落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。制定出按常规火电污染排放量分配比例,由全国所有省区共同分摊的政策。按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制,并保持10 a不变,促使业主充分利用资源,降低成本。(3)售电增值税:发电增加了新的税源,建议参照小水电核定风电销售环节增值税率为6%。(4)银行贷款:为降低风电电价,减轻还贷压力,建议适当延长风电还贷期限,还贷期(含建设期)增至15 a;为风电项目提供贴息贷款。(5)鼓励采用国产化风电机:为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款,补偿开发商的风险,帮助初期国产化机组进入市场,得到批量生产和改进产品的机会,以利降低成本。(6)建立市场机制:鼓励私人投资和引进外资,参照海洋石油开发的方式制定有关风能资源开发特许权的法律法规。


10.结论


(1)资源丰富:估计可利用的风能储量世界为96亿kW。我国陆上为2.53亿kW。应理顺风能资源勘测的资金渠道,探明实际可开发的风能储量。加大对风电前期工作投入,选出优先开发的风场,做好项目准备。(2)技术成熟:可以商业化开发,1999年全世界风电装机达到1 393万kW,从1995年起5 a的平均年增长率为32%,是发展最快的电源。单机容量以600~1 000为主,1 650 kW的机组已投入市场,正在开发2 000~5 000 kW的机组用于海上风电场。随着技术改进和批量增大,发电成本将持续下降。(3)环境效益好:开发风电是减排CO2的有效措施,比其它方式经济,其发展规模与环境要求密切相关。(4)目前成本高:需要政府激励政策支持,主要是风电上网电价的制定和高于火电的价差分摊,核定风电销售增值税和提供低息长期贷款等政策。(5)降低成本途径:多渠道融资,建立股份制的风电开发公司和竞争机制,降低建设成本。提供贴息贷款建设国产机组的示范风电场,垃动国内制造企业,保证质量,降低制造成本。风电机是高科技产品,应加大研究开发力度,增强自主开发能力,提供质优价廉的新型机组。总之,风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本,必将成为21世纪中国重要的电源。

 
 
 
 
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