第一节 风能利用的历史及发展
人类很早就开始利用风能了,在公元前200年就有人类利用风能的记载。人类最早利用风能是用风车提水、碾米、磨面及船的风帆助航。中国、伊拉克、埃及都是最早利用风能的国家。
人类利用风能,经历了一个漫长而曲折的历程。19世纪以前,社会生产力很低,风能得到广泛利用。进入19世纪,北欧及美国对风能的利用还占有其总能耗的30%左右。随着蒸汽机的发明和广泛使用,由于风能没有蒸汽机那么方便和廉价,风能的利用退到了蒸汽机之后。
第一次世界大战之后,能源短缺,丹麦仿造飞机的螺旋桨制造了二叶、三叶高速风力发电机用来并网发电,虽然装机容量不足5kW,但却开创了人类利用风能发电的先河。
第二次世界大战之后,工业复苏,能源短缺,风力发电又被重新重视起来。自20世纪40~60年代,丹麦研制了10~100kW的多种型号的风力发电机组并网发电;美国1941年研制1台1250kW的二叶片“伯能”风力发电机;法国自1958~1966年间先后研制了贝斯·罗曼尼(best Romani)风力发电机组,额定功率800kW,尼尔必克(Neyrpic)风力发电机组,额定功率132kW及1000kW;联邦德国自1957~1968年间研制了10~100kW风力发电机组,叶片采用复合材料,试验成功,为后来世界各国风力发电机组采用复合材料叶片奠定了基础,做出了贡献。
由于内燃机的发明和广泛应用,其燃料来自廉价的石油,而风力发电机组的发电成本比内燃机发电成本高,不具有竞争力,使风力发电机的发展又迟缓下来。
1973年,世界发生了石油危机,世界上的很多工业发达国家又重新重视风力发电,并率先并网发电。丹麦在1975年用旧材料制造了一台功率为2000kW、风轮直径为54m的三叶德文特(Tvind)大型风力发电机;1976年,联邦德国研制格鲁威恩(Growian)3000kW大型风力发电机组,其风轮直径达100m并成功地用复合材料做叶片;美国1975年研制成功功率100kW的MOD-0型及风轮直径61m、功率2000kW的MOD-1型大型风力发电机组,而后又研制了风轮直径91.5m、功率2500kW的MOD-2型大型风力发电机组。1985年,美国又研制了功率7500kW、风轮直径122m的MOD-5型大型风力发电机组。
《中国微》小型风力发电机的制造始于20世纪80年代,功率50~1000W,主要为内蒙、青海的牧民蒙古包照明、收音机及牧民提水饮畜提供电力,并有少量出口。但中国在大、中型风力发电机组研发起步较晚,首台18kW水平轴三叶片是在1977年研制的中型风力发电机组,叶片采用退役直升机桨叶,半导体励磁恒压三相同步发电机,安装在浙江嵊泗岛蔡园子镇的山上。
自20世纪90年代中国购入工业发达国家的风力发电机组建风电场。20世纪40~80年代是风力发电机组研究、制造、试验、总结、改进时期,经过60余年的发展,风力发电机组技术日臻成熟,为风力发电机组商品化生产及风电场的建立奠定了基础。
自20世纪90年代以来,风力发电机组经历了70余年的研究、试验,技术日趋成熟,水平轴大型并网风力发电机组已经商品化生产。世界工业发达国家涌现出诸如德国Nordex、Enercon、Repower、dewind,丹麦的Vestas,西班牙的Gamesa等一大批风力发电机组制造商。
中国自20世纪90年代后期开始引进技术,经过消化、吸收,也自行生产了大型水平轴并网风力发电机组、先后涌现出新疆“金风”、浙江“运达”、四川“东方汽轮”、上海“上电”、沈阳“华创”、保定“惠腾”等600余家风力发电机组制造、发电机制造、叶片制造、风力发电机组部件生产制造企业。
进入21世纪,由于石油价格飞涨,煤炭、石油等化石类能源支持人类一百余年的发展,排放的CO2、SO2给地球环境造成严重的危害,化石类不可再生能源也面临枯竭,世界各国都在节能减排,开发可再生无污染的清洁能源,风电已成为首选开发的能源之一。
进入21世纪,风电每年以20%的增容速度发展着。至2006年,世界风电总装机容量为74221MW。其中德国26622MW,占世界风电总装机容量的27.9%;西班牙11615MW,占15.6%;美国总装机容量11603MW,占15.6%;印度总装机容量6270MW,占8.4%;中国总装机容量2604MW,占3.5%,居世界风电装机容量的第6位。
至2008年,世界风电总装机容量达到1.2亿kW,平均年增长28.8%。新增装机容量27000MW,同比增长36%。
至2010年,中国风电新增装机容量16000MW,累计风电装配容量41827MW,相当于每年可替代燃煤消耗3129万t,减少9000万t CO2排放、3.3万t悬浮颗粒物、6.4万t SO2和6万t氮氧化物的排放。
至2011年,中国风电总装机容量52800MW,成为世界第一风电大国。根据“新兴能源产业发展规划”,中国到2015年风电总装机容量可达到90000MW,其中海上风电5000MW;到2020年,中国风电装机容量将达到1.5亿kW,其中海上风电将达到3000万kW。
风电,已不再是可有可无的补充能源,它已成为具有巨大商业价值和潜在发展前景的能源,是改善地球环境、为民造福的能源,是人类赖以生存的不可缺少的主要能源之一。