风能利用存在的问题及发展建议

【摘 要】 风能是一种清洁能源，是可再生的绿色能源。自古以来人类就有对风能的利用，但是受制于技术水平导致利用效率低下，被常规能源长期占据主导地位。直到风电的开发，风能的利用才具备可以大规模推广的条件。然而在风电的开发过程中，出现了能量转化稳定性差、环境保护矛盾等诸多问题。部分地区已经出现了弃风限电的现象，值得重视。提出应从技术升级、产业规划、协调发展等方面入手促进风电产业健康发展。

【关键词】 风能 利用 现状 问题 发展 建议

从根本上来讲，地球上的能源都来自于太阳能，风是一种由太阳辐射热在地表产生的温差引起的大气对流现象，风能就是太阳能转化而来的。据报道，全球可利用的风能大约为2X107MW，比可开发利用的水能总量要大10倍。因此风能的开发利用是非常有潜力的。

风能利用的历史悠久，中国是有史记载最早利用风能的国家。公元前数世纪已有利用风力提水，其后灌溉、磨面、舂米、风帆船等利用越来越广泛。宋代的风车应用达到全盛，流行其时的垂直轴风车一直沿用到现在。国外对风能的利用也较早，多使用风车来完成各项工作。堂吉诃德和风车的故事更是让没有接触过风车的人对风车充满了好奇。如果不是蒸汽机的出现，风车的使用也许会产生另外一种文明。风车之所以被蒸汽机打败，是因为两者对能源的利用效率上有天壤之别。风是一种自然现象，是一种不受控制的能源来源，受自然条件约束过多。因此数千年来风能技术发展缓慢，而煤炭、石油的利用却迅猛发展。但是煤炭石油资源对人类生活来讲是不可再生的，资源日趋匮乏，压力随之而来。同时，传统能源的利用伴随着的是巨大的环境污染，中国的首都北京雾霾日益严重，其他的多数大城市也环境恶化，人类社会迫切需要转型。而科学技术的进步也保证人类可以对其他的能源进行利用。风能就是其中较突出的一种，作为一种无污染、可再生的“新”能源发展潜力巨大。

1 风能利用的现状

风能利用，主要是采用风力发电技术，将风能转化为电能。电能是人类社会现代化的必须能源，现在主要依靠火电、水电，已经面临着资源匮乏、环境恶化等双重压力，所以风力发电的意义巨大。风电行业的真正发展始于1973年石油危机，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。在过去的几十年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快的能源地位。在发达国家，风能作为一种高效、清洁的新能源日益受到广泛重视。早在1974年美国就开始实行联邦风能计划，对国家的风能资源进行评估，研究相关的社会和环境问题，改进风力机的性能，降低造价等。目前美国已成为风力机装机容量最多的国家。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国家，也根据各自的情况制定了相应的风力发电计划。丹麦在1996年的能源计划中，将能源远景规划扩展到2030年，提出届时风电比重将达到50%；欧洲风能协会与绿色和平组织在2002年发表的一份题为《风力12（WINDFORCE 12）》报告中提出，2002年风电要占世界电量的12%，而欧洲很有可能要占到20%[1]。

我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。据国家气象局估计，全国风力资源的总储量为每年16亿kw，近期可开发的约为1.6亿kw，内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列，年平均风速大于3m/s的天数在200天以上。薛桁[2]等根据全国900余个气象台站实测资料作出的多年年平均风能密度分布图，首次完整细致地估算出各省及全国离地面10m高度层上的风能资源储量，我国的风能资源总贮量为32.26×1011W，实际可开发量为2.53×1011W。从而从理论上进一步证实了我国风能资源具有巨大的开发潜力。我国风力机的发展，在50年代末是各种木结构的布篷式风车，到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。进人80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量已达8MW。新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300kw，是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2.58万亩。1997年新增风力发电10万kw。目前我国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组，并初步形成了风力机产业。尽管如此，与发达国家相比，我国风能的开发利用还相当落后，不但发展速度缓慢而且技术落后，远没有形成规模。我国应在风能的开发利用上加大投入力度，使高效清洁的风能在我国能源的格局中占有应有的地位。

2 风能利用存在的突出问题

作为一种新能源的利用，在人类社会习惯于使用常规能源的几百年的惯性下，仍然面临着诸多问题。一方面是行业发展社会环境问题比较突出，比如目前在风能发电项目特许权经营招标实践中企业之间的恶性竞争，企业纷纷亮出了大大低于成本的“跳楼价”。企业之所以愿意这样做的原因在于“多年来摸透了国家产业政策的脾气，认为拿到项目苦熬到全行业亏损后，国家会再次调整风力发电定价的办法，那时就变得有利可图了”[3]。还有频频出现的风机产能过剩、弃风限电等等，这类问题主要要从国家政策层面解决。另一方面，风能发展还面临着诸多其他制约因素。

2.1 风能的不可控制性导致了利用的困难较大

由于风的特殊性，决定了人类生活的聚集地是尽量避开风力资源丰富地区的，从而必然导致风力资源丰富地区和用电高峰地区的错位布局。由于风的不稳定性，风力发电对电网运行要求有较高的要求。而传统电网主要是根据稳定的火电设计建造的，对电能的不稳定性准备不足，因此风电受制约非常明显。从影响上看，主要存在三个方面的问题。一是加大了电网调度难度；由于布局错位，电力调度要求较高，给本就基础建设薄弱的电网系统造成巨大的压力。二是降低了电能质量；由于风力的不稳定性导致所转化的电能质量下降。三是挑战电网安全；由于基础设施限制，电网对风能发电的特殊性没有准备，安全性不能充分保障。迟永宁[4]等研究结果表明大规模的风电接入可能会使电网出现线路传输功率越限、短路容量增加及电力系统稳定性发生变化等问题。由于面对诸多限制因素且没有有效的解决手段，近年来西北地区多发的弃风限电就是这种影响下的极端产物。

2.2 风电在利用风的同时，也改变了风的流向，造成了对自然的干预，面临诸多环境协调问题

一是污染排放问题。风机是风电的必要设施，作为人工产物，在建造和运行中肯定要产生一些污染问题，还有间接排放问题。二是噪音问题。在靠近居住区的地方安装风机的一个最大问题就是风机所发出的噪声干扰。测量风机噪声标准有几个，国际能源署风机噪声测量报告便是其中之一。在测定噪扰程度时，必须根据声发射测量值来计算风机的声源级。利用可接受的发声级，便可确定某个地方是否适合安装风机。噪声问题会影响一些潜在的风机安装区的利用。噪声问题在人口稠密地区（例如荷兰）显得尤为突出。三是无线电通信干扰问题。风机会成为一种妨碍电磁波传播的障碍物。由于风机的影响，电磁波可以被反射、散射和衍射。这意味着风机会干扰无线电通信联络。国际能源署已提供了有关这个问题的初步资料。该资料给出了有关的风机参数及比较容易受影响的无线电通信的有关参数。显然，风机既不应妨碍无线电通信联络，也不应干扰家庭的无线电收音机和电视信号的接收。

2.3 安全问题

风机发生的安全事故尽管很少，但总是会发生。在美国以及欧洲都发生过与风机有关的死亡事故。为了制订风机的欧洲安全标准，1987年欧共体开始了一项研究计划。所形成的文件中提到了有关安全准则、结构集成化及人员安全等方面的情况。这份文件的目的是为设计者提供设计指南，这样便可以使他们生产的风机的事故率达到一个可接受的适当水平。

2.4 生态平衡问题

一是对自然景观的影响。有的地方建设风力机对当地环境景观产生了良好的作用，比如达阪城已经形成独特景观。但是并不是所有的风力机都尽如人意，对那些风景秀丽的地区和人口稠密的地区（或国家）更是如此。公众对风机越来越多的风景区的兴趣在下降。另外，人们喜欢以直线排列的风机阵，而不喜欢以矩形网状排列的风机阵。尽管视觉影响属于质的方面的问题，但在实际规划时也可以成为一种制约因素。二是对生物圈的影响。风机的运转会对鸟类造成伤害。当鸟撞击到塔架或翼片时会被杀害，并且风机的运转也防碍附近鸟类的繁殖和栖居。许多科研单位对此进行了研究，他们当中包括荷兰的自然管理研究所和丹麦的竞赛生物站。自然管理研究所研究了荷兰于尔克的一个共有25台300千瓦的风机对鸟类的危害。研究结果显示，该风田平均每天约杀死0.1～1.2只飞鸟。由此可以得出结论：每公里风田伤害的飞鸟比每公里高压输电线伤害的鸟少10倍，与高速公路上汽车伤害的飞鸟数量差不多。廖峻涛[5]等通过对云南省风能资源和鸟类资源及鸟类迁徏状况分析，发现风能可利用资源在时空分布上与鸟类迁徒通道、迁徙季节存在着相互重叠的情况，由此可能导致风能开发过程中出现迁徒鸟类与风电设备发生直接碰撞、阻碍候鸟迁飞以及湿地鸟类栖息地破坏等严重后果。

3 风能利用的发展前景及建议

风能利用之所以面临着诸多问题，归根结底，是社会几百年来发展的道路的问题。因为已经习惯了高污染、高能耗的传统发展模式，所有的社会环境和条件也是在传统发展模式下兴建的，所以必然存在转型期的阵痛。因噎废食必不可取，应该从多方面采取措施大力扶持新能源的利用，为人类社会发展转型提供有力支持。

3.1 政府统一规划，强化扶持力度，加大基础建设投入是产业发展保障

作为新兴产业，必然对旧有的体制、机制造成冲击，产生各种不适应，表现为诸多矛盾和问题。目前，我国风电处于发展阶段，国家提供的支持政策还不甚完善，国家政策、经济因素等各方面的限制使风力发电还难以进入商业化、产业化发展轨道，要加快风电发展，国家不仅要出台保护政策，还要鼓励竞争，在产业化发展过程中也要给予大力支持。对此，政府应该深入调研，切实把握产业发展脉搏，进行统一规划并加强规划管理，要切实改变各地区不顾实际一哄而上造成产业虚伪繁荣的假象。绝对避免西北地区弃风限电的错误再次发生。同时，由于先期效益的不显著，完全把产业发展市场化的行为是不切合实际的。要在产业的起步阶段用政府行为予以保证，并在政策和资金上强化扶持力度，加大投入，从而保证产业发展能够逐步走上正轨。

3.2 加强科技攻关，加快产业技术升级是根本所在

科技是第一生产力。面对当前发展中的诸多问题，加快科技攻关力度，提高产业技术升级是根本出路。雷亚洲[6]总结了当前风电并网的相关研究课题，提出很多与大型风电场并网运行有关的技术课题亟待解决。如张明锐[7]等提出一种基于固态变压器的永磁同步风力发电机并网系统。在并网变流器中加入高频变压器，实现整流和逆变部分的电气隔离，高压侧变流器的输出电压达到10kV，从而减小了并网电流。在直流侧增加超级电容储能装置，使风电机组具备较强的低电压穿越能力。对系统的关键控制部分进行分析设计，建立了系统仿真模型。研究结果表明，所设计的新型风电并网系统能够明显减小并网冲击电流，并具有很强的低电压穿越能力，是一种有效的永磁同步风力发电机并网方法。这种针对新能源的技术研究是产业发展的根本所在。适应适用实用技术的不断研发推广，是保证风电产业健康发展的基本需求。

3.3 做好生态环境保护研究，妥善处理风电产业发展和生物保护的矛盾

风能开发应当注意避开鸟类迁徒通道及栖息地，采取有效措施，减少对迁徙鸟类的影响。这就需要我们在制定产业规划的时候多方参与，要多征求生物学家的意见，努力在发展风电的同时把对生物的破坏降到最低点。在风电场建设中必须在风电场的选址、风机排列格局设计、输供电线要求及施工等方面考虑对鸟类的影响，实现人与自然的和谐发展。

参考文献：

[1]施鹏飞.从世界发展趋势展望我国风电发展前景[J].中国电力，2003，3（69）：54-62.

[2]薛桁，朱瑞兆，杨振斌等.中国风能资源贮量估算.太阳能学报，2001，22（2）.

[3]刘军，谭飞.警惕风电项目“ 跑马圈风”[J].半月谈，2006（9）：22-24.

[4]迟永宁，刘燕华，王伟胜等.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术，2007，31（3）

[5]廖峻涛，李国洪，王亚奇.风能资源开发对云南迁徙鸟类的影响及对策.安徽农业科学，2012，40（10）

[6]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J].电力系统自动化，2003，27（8）.

[7]张明锐，陈洁，王之馨等.一种新型的永磁同步风力发电机并网系统.电力系统保护与控制，2013，（14）.

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