風電機組發展簡史「從推磨到發電的華麗轉變」

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地球表面各處受太陽輻射強度不同，產生氣壓差，導致空氣由高壓區域向低壓區域移動，該自然現象則稱為風。

風能的利用歷史，最早可追溯至第一片帆船下水。據記錄，公元前3,500年，古埃及人發明了風力驅動的帆船，沿尼羅河航行。

此外，風能也可以帶動葉片等機械裝置，產生機械能為生產生活服務。例如，風車推磨、風車提水等等。

風能開發歷史悠久。

• 公元前，中國人就利用風帆為船舶提供動力，使用風能提水、灌溉、磨面、舂米。

• 公元前2世紀，垂直風車被古波斯人應用於碾米。

• 10世紀，伊斯蘭人發明風車技術。

• 11世紀，風車已被廣泛普及於中東地區。

• 13世紀，風車已成為歐洲地區不可缺少的原動機。

• 18世紀，風車對北美墾荒的成功實施起到了重要作用。

1887年7月，蘇格蘭學者James Blyth在他的度假別墅里，建成了第一颱風電機組，用於蓄電池充電和別墅照明。

同年，美國發明家Charles F. Brush在克里夫蘭建成第一台全自動運行的風電機組。

同一時期，丹麥工程師Poul La Cour經過試驗研究發現：轉速慢且葉片多的風電機組性能低於轉速快且葉片少的風電機組性能。基於此原理，他試製了一台含4組葉片且額定容量為25 kW的風電機組，為現代風電機組奠定了基礎。

隨著蒸汽機的發明與煤炭價格的降低，導致大電網工程迅猛發展，而風力發電經濟性較差且不穩定，受到工業界冷遇，致使風電機組數量急劇減少。20世紀上半葉，風力發電技術被廣泛應用於美國和許多歐洲國家的偏遠地區供電，單颱風電機組的額定容量僅為2至3 kW。

20世紀下半葉的世界石油危機之後，在化石能源告急和生態環境惡化的背景下，風能作為一種清潔高效的可再生能源，得到迅猛發展。

當時，受政府資助的大型軍工企業、飛機製造商等部門開展了對大型風電機組的專項研究，取得了豐碩成果。

• 1941年，世界首個MW級風電機組在美國Vermont被發明，並接入當地電網，機組重約240噸，其葉片長約75英寸。

• 1956年，Johannes Juul發明葉片緊急制動裝置。

• 1970年，美國NASA著手研發多個大型商用風電機組。

• 1980年，由20颱風電機組組成的世界首個風電場在美國New Hampshire建成。

• 1991年，英國首個陸上風電場在Cornwall建成，其由10颱風電機組組成，為2,700戶居民供電。

• 2003年，英國首個North Hoyle海上風電場在Wales海岸建成，其由20台2 MW風電機組組成。

近幾十年間，風電機組尺寸和容量不斷增大。

下圖所示為1980至2014年間，額定容量最高風電機組的輪轂高度、葉片直徑和額定容量，未來風電機組的葉片直徑可能與空客A380的翼展相當。

此外，風電機組成本不斷降低。

例如，著名生產商Vestas製造的多種商業風電機組，其額定容量分別為1.5、2.0、2.5和3.0 MW，輪轂高度也在80 m至135 m間變化，所有類型風電機組運行數年後即可收回投資成本。

與化石能源相比，風能能量密度低，故風電機組額定容量遠小於常規發電機組，不利於風能利用。

為方便風電併網，通常將數颱風電機組、變壓器、電纜等設備布置在同一風能密集區域，組成風電場，提高整體風電容量。

小型風電場內風電機組數目較少，如幾台或十幾台；而大型風電場內風電機組數目較多，如幾百台。

因而，風電場整體佔地面積較大，但風電機組間的地區可用於農業種植或其餘用途，對生態環境影響較小。

目前，許多大型風電場位於中國、印度和英國三國。

例如，中國的甘肅風電場是全球最大風電場，總裝機容量為12.71 GW，並預計在2020年增至20 GW。

印度的Muppandal風電場是全球第二大風電場，總裝機容量為1.5 GW。

英國的London Arrary風電場是全球最大的海上風電場，總裝機容量為0.63 GW。

除此之外，全球也在新建多個大型風電場。例如，挪威的Fosen Vind風電場，建成裝機容量為10 GW；羅馬尼亞的Sinus Holding風電場，建成裝機容量為0.7 GW。

另一方面，各國政府也出台鼓勵政策，大力扶持風電產業。這些鼓勵政策可大致分為兩類：固定電價鼓勵政策和固定電量鼓勵政策。

在固定電價鼓勵政策中，風電優惠收購電價由政府制定，收購電量則由電力市場決定，主要方式包括：固定收購價格、設備補助、固定補貼價格和稅賦抵償。

例如，德國政府在風力發電發展初期，根據風電機組容量大小和葉輪面積給予補貼，同時立法規定，電力公司必須購買風電；美國政府對風電產業施行稅收抵償政策，即投資者在規定的時間前完成風電場的建設，政府將投資總額的30 %以現金的方式返還給投資者，這不僅加快資金回收速度，還提高風電場的收益。

固定電量鼓勵政策由政府制定風電產量，然後由市場決定收購電價，主要方式包括：競價系統和可交易綠色憑證系統。

例如，丹麥政府議會在1999年推出一種交易綠色電力證券的國家再生能源配額制市場，確定供電配額中可再生能源電量的標準或最小要求，刺激可再生能源發電商間的競爭來降低成本，增加可再生能源的容量。

隨著風電技術逐漸成熟、成本逐漸降低和鼓勵政策日趨完善，在過去20年間全球風電產業迅猛發展，風電裝機容量不斷增大。下圖所示為2001至2017年間全球風電裝機容量。可以看到，2017年全球風電裝機容量較之2001年，增長近二十餘倍。

截止2017年，中國風電容量已趕超美國，成為風電容量全球第一的國家，風電總裝機容量達到188 GW，佔比35 %。

我國能源局近期發布的《風電發展「十三五」規劃》，明確「十三五」期間風電發展目標和建設布局。

規劃指出：「到2020年底，風電累計併網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上。其中，海上風電併網裝機容量達到500萬千瓦以上；風電年發電量確保達到4200億千瓦時，約佔全國總發電量的6 %。有效解決棄風問題，「三北」地區達到全國最低保障性收購利用小時數的要求；風電設備製造水平和研發能力不斷提高，3到5家設備製造企業全面達到國際先進水平，市場份額明顯提升」。

本文內容來自「電觀」

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