科技前沿丨高潜力、强优势风能发展前途甚好

时间: 2024-07-30 19:31:12 |   作者: 安装方式

  如今，当我们坐在列车上望向窗外，空旷的原野上，一座座耸立的“白色大风车”在乘客眼中早已司空见惯、屡见不鲜。据国际能源署发布的《2023年可再次生产的能源》，2023年中国风能新增装机容量比上年增长66%，风能装机容量位居世界第一。

  在世界能源危机和全球生态环境恶化的双重压力下，风能取之不尽、用之不竭，已成为全世界公认的最具潜力、最具经济优势的清洁能源之一。

  ——环保优势。风力发电过程不需要消耗化石燃料，有利于减少环境污染。据测算，平均每装一台单机容量1兆瓦的风力发电机，每年就可以减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫和6吨二氧化氮。

  ——技术优势。相较其他可再次生产的能源，风电技术已非常成熟。陆上风电最大单机容量已达15兆瓦，海上风电迈入20兆瓦时代。据全球风能协会《全球风能报告2023》数据，截至2022年，全球风电累计装机容量已达到906吉瓦（一吉瓦=1百万千瓦）。

  ——资源优势。风能资源丰富、分布广泛、永不枯竭。有研究发现，全球风能理论蕴藏量约2000万亿千瓦时/年。对贫油少气的国家来说，发展风电有助于摆脱资源禀赋劣势、提升能源保供能力。

  ——成本优势。国际可再次生产的能源署《2022可再次生产的能源发电成本》报告数据显示，陆上风电度电成本最低，比最便宜的化石燃料发电成本便宜一半，海上风电度电成本也持续下降。随着风电规模化发展，叠加科学技术创新突破，未来风电成本优势将进一步凸显。

  在全球能源结构绿色低碳转型的大背景下，风能的地位更加凸显，全力发展风能成为全世界能源革命和应对气候平均状态随时间的变化的核心路径之一。各国纷纷制定发展规划、出台扶持政策，风能建设和应用规模呈加速扩张态势。

  2022年初，美国能源部发布《海上风能战略》，规划到2030年、2050年海上风电累计装机规模分别达到30吉瓦、110吉瓦。2022年4月，英国发布《英国能源安全战略》，明确到2030年风电占可再次生产的能源发电的一半以上，海上风电规模达到50吉瓦。德国计划到2030年将陆上和海上风电装机容量分别扩至115吉瓦、30吉瓦。

  2020年，我国承诺力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。国务院在相关文件中明确，到2060年，我国非化石能源在能源消费中的比例将超过80%。有专家估算，风电将贡献最大发电量，成为推进碳中和及能源革命的主体电源。

  东南沿海，全球首台超大容量16兆瓦海上风机并网发电，我国海上风电大容量机组研发制造及运营能力再上新台阶；东北草原，兴安盟300万千瓦风电项目全容量并网，成为中国在运最大陆上风电基地；西部高原，世界超高海拔地区最大风力发电场，克服高原空气稀薄的困难，持续稳定送电……近年来，新纪录新突破捷报频传，是我国风电产业“乘风而上”强劲发展的缩影。

  人们关于风电的研究始于19世纪末。1887年，苏格兰科学家詹姆斯设计建成世界第一台风力发电机，用于蓄电池充电和房屋照明。1891年,丹麦气象学家库尔设计建造出世界上第一台现代意义的风力发电机。此后，历经半个多世纪的探索，少数国家开始小规模利用风电。到20世纪70年代，两次石油危机让各国高度关注“化石燃料依赖”问题。丹麦、德国、瑞典、英国和美国对风能的重视空前加强，纷纷出台政策促进风电发展。

  我国直到1986年，才建成了第一座陆上风电场——马兰风电场。当时使用的还是从丹麦引进的3台55千瓦电机，总装机容量165千瓦，最高年发电量33万千瓦时。这个发电量在如今以兆瓦为单位的时代看来，着实有些落后。但是，当时那一座座耸立在山东省荣成市的巨大“风车”，吸引了全国人的目光，倾注着一代人的期待。

  2006年是我国风电规模化发展的起点。这一年，《中华人民共和国可再次生产的能源法》正式实施，全国新增风电装机量达133.7万千瓦，超过此前装机量总和。

  在持续有效的政策支持下，依托规模化开发和持续创新，仅用30多年，我国风电产业就实现了从跟跑、并跑到领跑的巨大跨越。

  当前，我国已成为全世界最大的风电市场。据国家能源局公开的一手消息，2022年，我国风电新增装机4983万千瓦，累计装机容量3.96亿千瓦，风电新增装机容量连续14年、累计装机容量连续13年居全球首位。

  我国已成功培育出一条具有国际领先水平和全球竞争力的风电产业链，拥有全球最大的风电设备制造基地。当前我们国家生产的风电机组占全球市场的2/3以上，铸锻件及关键零部件产量占全球市场70%以上。

  我国风电技术已处于国际领先水平。中国首个可并网的兆瓦级高空风电示范项目成功发电，双转子漂浮式海上风电平台、陆上双风轮风电机组等新产品研发成功，发电机、齿轮箱等关键核心部件国产化率接近100%，长叶片、高塔架应用领跑全球。

  一系列风电产业关键核心技术的不断突破，助推我国风电建设大幅度提速。风电企业已能够很好地满足沙漠、海洋、低温、高海拔、低风速、台风等各种各样的环境气候区域风电的设计、研发、制造、安装、调试和运行需求，支撑国家陆上和海上风电基地规模化建设，推动风电装机由“三北”地区逐步向中东南地区发展，由陆向海、遍布全国。

  技术突破还带来风电成本持续下降。国际可再生能源署报告说明，过去10年间，全球风电平均度电成本累计下降超过60%，其中很大一部分归功于中国创新、中国制造、中国工程。

  正是凭借丰富的风电机组产品谱系和明显的价格上的优势，我国风电企业正加快“乘风出海”，全面参与国际市场之间的竞争。据中国可再次生产的能源学会风能专委会统计，截至2022年底，国产风电机组出口的国家和地区已超过49个，遍布五大洲，累计出口容量达1193万千瓦，成为带动我国出口贸易的重要新生力量。

  其中，陆上风电起步最早，技术也最为成熟。陆上风电主要由风力发电机组、集电线路、升压站、送出线个大部分组成，设计相对简单，便于运输和安装。得益于技术成熟度、建设难度、建造成本等方面优势，多年来陆上风电得到各国优先发展，累计装机容量独占鳌头。全球风能理事会《2023全球风能报告》多个方面数据显示，截至2022年，全球陆上风电累计装机841.9吉瓦，占比高达92.9%。

  高塔、长叶片、大容量成为陆上风电发展的主要趋势。当前，陆上风电最大单机容量已达15兆瓦，叶轮直径已覆盖240米。

  不过，经过持续多年的规模化发展，陆上优质风能资源日益稀缺，土地资源限制影响慢慢的变大，这促使人们把目光聚焦到了海上。

  海上风能资源丰富，风向改变频率较陆上低，平均风速高，离岸10千米的海上风速通常比沿岸高20%，且很少有静风期，同等发电容量下海上风机的年发电量比陆上高70%。

  “向海争风”成为全世界风电新一轮规模化发展的主流方向。据全球风能理事会发布的《2023年全球海上风电报告》数据，截至2022年底，全球海上风电总装机容量64.3吉瓦，预计到2032年，全球海上风电总装机容量将增加到447吉瓦。

  海上风电加速扩张带来大容量机组加快突破。从我国海上风电机组单机容量发展看，从1.5兆瓦增至5兆瓦用了整整10年，而从5兆瓦增至16兆瓦的用时仅6年。当前，海上风电更是迈入20兆瓦时代，叶轮直径已覆盖280米，有专家预测，未来几年或突破30兆瓦。

  目前已建成的海上风电场基本在滩涂和近海，然而全球海上风能资源约80%集中于水深超过60米的海域，在近海风能资源开发趋近饱和背景下，远海风电将成为海上风电发展新的增长点。

  在改进陆上和海上风电技术提高低空风能资源利用效率的同时，一些国家把注意力放在了空中。

  有研究显示，高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。由于高空风的流向稳定、强度更大，理论上高空发电时间能超过95%。此外，高空风电占地面积仅为传统风电的1/30，可以建在主干电网附近或大城市人口稠密地区周边，非常利于风电就近消纳。

  高空风电按发电机位置不同分为空基和陆基两种。其中，空基高空风电原理与传统风电模式类似，不同之处在于其利用飞艇、高空气球、无人机等将发电机悬浮在高空中，发电通过电缆传到地面。

  陆基高空风电则是把飞行器系在缆绳上，像风筝一样放飞到高空，飞行器在风力作用下带动缆绳往复牵引地面发电机转盘旋转，进而产生电能。据媒体消息，今年1月上旬，我国首个可并网的兆瓦级高空风能发电示范项目在安徽绩溪成功发电，总装机容量2×2.4兆瓦，能利用500米至3000米的高空风能进行发电，采用的就是该技术路径。

  整体看，当前高空风电还处于验证阶段，但是随着材料技术、浮空器技术和轻量化电力系统技术的发展，高空风电在“风电家族”中的地位作用将逐渐凸显。

  风驰电掣，赋能未来。随着一个个风电项目落地投产，风电在新型能源体系中的地位作用更加凸显，将为世界能源安全稳定供应和绿色低碳发展作出更大贡献。