06No17美国能源部百分之20风能目标可行性报告.docx

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06No17美国能源部百分之20风能目标可行性报告

前言

在当前金融危机引发的经济危机的形势下，世界各国，尤其经济发达国家，开始重新审视各自的再生能源发展战略，美国总统奥巴马政府的财经政策向新能源倾斜。

2008年5月，美国能源部发布报告，研究到2030年实现风电产能份额占到国家电力需求量20%这一目标的可行性。

该报告内容共分6个章节，分别为：

摘要与总论、风力发电机技术、制造业、原材料与资源，美国电力系统的传输与并网，风能选址，风能市场。

各章节之间互有联系，承上启下。

为实现20%风电的目标，需要改进风机技术以产生风能，并有效改造传输系统以通过电网传输，以及开拓购买和使用风能的市场。

与此同时，这些在能源产生和传输过程中的实质性改变将牵涉到制造业、政策发展和环境法规的协助变革。

该报告引起我们高度关注，由于这篇报告不定期地刊登在相关期刊，通过收集、整理和编辑后，合成一篇《美国能源部20%风能目标可行性报告》。

风电技术部

2009/06/19

1.美国能源部20%风能目标可行性报告之一：

摘要与总论

………………………………………………………….２

２.美国能源部20%风能目标可行性报告之二：

制造业、

材料与资源…………………………………………….9

3.美国能源部20%风能目标可行性报告之三：

风力发电机

技术…………………………………………………….15

4.美国能源部20%风能目标可行性报告之四：

风电传输与

并网…………………………………………………….22

5.美国能源部20%风能目标可行性报告之五：

风能选址与环境影响…………………………………………………….26

6.美国能源部20%风能目标可行性报告之六：

风能市场

…………………………………………………………….30

美国能源部20%风能目标可行性报告之一：

摘要与总论

编者按：

在石油价格不断上涨的形势下，世界各国，尤其经济发达国家，开始重新审视各自的再生能源发展战略。

2008年5月，美国能源部发布报告，研究到2030年实现风电产能份额占到国家电力需求量20%这一目标的可行性。

该报告引起我们重点关注，在此分6期作简要介绍。

该报告内容共分6个章节，分别为：

摘要与总论、风力发电机技术、制造业、原材料与资源，美国电力系统的传输与并网，风能选址，风能市场。

各章节之间互有联系，承上启下。

为实现20%风电的目标，需要改进风机技术以产生风能，并有效改造传输系统以通过电网传输，以及开拓购买和使用风能的市场。

与此同时，这些在能源产生和传输过程中的实质性改变将牵涉到制造业、政策发展和环境法规的协助变革。

图1显示了本报告内容框架。

图1

●评价目标

2030年实现风电产能份额占据国家电力需求量的20%，届时美国风电产能将由2006年的11.6GW激增至305GW。

图2显示了为实现20%风电目标所需的美国风电产能（GW）的增长。

图3表明至2030年的年度和累积装机容量（GW）。

图3

图2

●考察的关键问题

􀂾国家是否具备充足的风能资源？

􀂾风力技术的必备条件是什么？

􀂾是否存在充足的制造容量？

􀂾若干关键影响是什么？

􀂾电网能否容纳20%的风电？

􀂾环境影响和效益是什么？

􀂾目标是否可行？

●评估参与者

􀂾美国能源部（DOE）

－能源效率和可再生能源办公室（EERE），电力提供和能源可靠性办公室（OE），电力市场管理局（PMAs）

－国家可再生能源实验室（NREL）

－劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）

－圣地亚国家实验室（SNL）

􀂾博莱克·威奇（Black&Veatch）工程咨询公司

􀂾美国风能协会（AWEA）

－主要风力制造商和供应商

－开发商和电力公司

－风电行业的其他组织

●风能配置系统模型的假定

􀂾假定其他可再生能源在美国电力供给中所占的份额保持2006年的水平。

􀂾假定成本在未来20年将减少10%，容量因子将增加约15%（对应风电装置年产能增长15%）。

􀂾假定未来的环境研究和许可要求不会对风力技术产生显著的费用增加。

􀂾风能配置系统模型采用的假定取自众多资料来源。

这些假定包括所有发电技术的未来成本和性能、传输系统扩充成本、风力资源在美国内陆作为地理位置函数以及风力发电预计成长速度的预测。

􀂾假定新的传输费用在起运企业和地方纳税人之间分摊。

􀂾假定现有电网容量的10%可用于风能。

􀂾假定在特定区域，发电技术能满足当地负载的要求。

􀂾为在2030年达到20%风能的目标，国家层次每年规定的风能产出

—扶持风能配置加速发展的稳定的政策环境；

—不改变当前政策以优化经济发电的收支平衡；

—技术成本和性能假定，以及影响直接电力系统成本的电网扩充和

运转假定。

􀂾预计到2030年，陆上和海上风能技术成本降低，性能得到提高。

􀂾2005年至2030年间，化石燃料技术成本和性能普遍固定。

􀂾预计到2030年，核技术成本降低。

􀂾在北美电力可靠性委员会（NERC）区域层次计算预存和产能的差额，如有需要，增加新的传输容量。

􀂾风力资源作为不同来源的地理位置的函数。

􀂾基于年度能源展望的预计电力需求量、资金假定和燃料价格。

●预计影响

􀂾环境：

消除空气污染，减少温室气体排放，减少发电过程中的用水量。

图4显示，至2030年年度减少CO2排放量将达到8.25亿吨，累积减少排放合计76亿吨。

图5表明，减少的CO2排放量将与电力部门排放量的预计增长几乎持平。

图4

图5

􀂾美国能源安全：

使电力组合多样化，不受限于燃料易变而有稳定价格的本土能量来源。

图6显示了在有无风能供给的两种情况下，美国电力能源的组合。

图中可见，煤炭在能源组成中占据稳固的主导地位，但随着风能的加入，与天然气所占比重同步降低。

图6

􀂾能源消费者：

风电潜在地减少了对化石燃料的需求量，进而降低燃料价格，并稳定电费。

􀂾当地经济：

为风力开发区域的郊区土地所有者和当地社区分别创造新的收入来源和税收。

􀂾美国工人：

为制造业、工程、建筑、运输和金融服务等依托风力开发的部门提供高薪工作。

新型制造业将促使风力行业供应链显著发展。

􀂾节水：

累积减少电力部门用水量的8%（4万亿加仑）。

图7显示了在实现20%风电目标的进程中国家的节水情况。

图7

●主要挑战

􀂾投资国家传输系统，由此将产生的能量传送至需要增加供给的城市中心。

图8显示至2030年包括风能在内的所有新型发电所需的美国传输系统的扩充。

图9描述了容纳400GW风能的概念传输设计。

图8

图9

􀂾更大的电力负载平衡区域，协同更好的地区规划，使得区域能够依靠包括风　力在内的多种能源发电。

图10表明，至2030年，风电的实质性发展将覆盖美国　的46个州。

图10

􀂾通过技术进步和制造能力的改进，持续降低风电成本，并提高风机性能。

图11显示了有无风电供给的成本比较。

基于燃料可用性和环境限制无较大变化的假定计算，实现20%风电目标所增加的投资成本适中，差值约为2%。

图11

􀂾考虑到当地方位、野生动植物和环境问题的选址。

●结论

　　本报告阐述了与20%风电目标显著相关的成本、挑战和影响。

本章节描

述的因风力在规模和速度上的发展而带来的正面影响，在传统商业模式的将来是不可能实现的。

这一目标的达到，将涉及国家对清洁、本土能源的较大投入，使室温气体和其他环境污染物降至最小化。

美国能源部20%风能目标可行性报告之二：

制造业、材料与资源

编者按：

美国能源部发布了2030年实现20%风能目标的可行性报告，本文继续对该报告的“制造业、原材料与资源”章节的重点内容进行节选介绍。

企业股东和决策者们需要了解实现2030年20%风能这一目标是否会受到原料、生产能力或者劳动力因素的限制。

这一章节就这些关键资源进行调查研究。

（一）原材料需求

为了估算实现20%风能目标需要的原材料需求，报告集中分析了目前制造风

力涡轮机和主要部件最重要的材料，如钢、铝、铜。

表1显示了每个部件使用不

同材料的百分比以及每个部件占整个涡轮机重量的百分比。

表1适用于1.5MW

级涡轮机和4MW或更大型的涡轮机。

采用表1显示的材料消耗模型为基础，表2进一步描述了要达到每年7000

座涡轮机生产量的原材料需求。

此分析基于下述假设：

涡轮机将变得更轻而且到

2017年每年的装机量将平稳保持在7000座涡轮机左右，并且该趋势一直持续2030年。

在此基础上，2030年需要约10万座涡轮机用于产生全美20%的电能。

表1风力涡轮机主要部件以及使用的材料（%）

表2每年原材料需求估算（千吨）

材料使用分析

􀂾涡轮机材料的使用中，钢材料将继续占主要部分。

􀂾采用铝或其他轻质量复合材料后，可以满足成本、强度和疲劳度的需求。

􀂾GRP（玻璃纤维强化塑料）将继续用于风机叶片制造。

􀂾碳纤维材料的使用可以减少重量和成本。

􀂾变速发电机逐渐普及。

􀂾大型涡轮机的永磁发电机对磁性材料的需求将增加。

􀂾简化机舱的机械可以减少原材料成本同时增加可靠性。

（二）生产能力

原则上讲，每年风力涡轮机装机量通常应该由一个稳定的本地制造业基础来

支撑。

如果装机率在前后2年之间发生巨大变化，而生产制造能力则可能无法按

要求相应地增长或减少。

美国国家可再生能源实验室（NREL）创建了一个简单

的模型，对装机率进行研究，以此维持风能产量在连续几十年都保持一个特定的

水平。

图1比较了三种装机率模型，分别是满足到2030年风电占全美电能产量

10%、20%和30%三种需求目标。

图1满足20%风能目标的年装机容量

图2则显示了对于满足20%风能目标，从2007年到2030年每年和累计风电

装机容量的预测。

根据预测，每年装机容量讲增加超过16GW，到2030年总装机容量将增加到305GW，在2007年到2030年之间，将新增装机量293GW。

图220%风电目标的每年和累计装机容量

制造商分布

在美国，越来越多的州县和公司开始投入制造风力涡轮机，或者具备了相应

的制造能力。

如果对于某些风电部件和先进制造技术进行投资，也可将相关工作

职位保留在美国国内。

图3显示了目前美国风机和部件生产商的位置分布。

这些公司广泛分布于全

美各个州县，有些公司还位于风能开发很少的地区。

图3美国风机和部件生产商的位置分布

表3则显示了超过1.6万家企业目前正在生产一种或多种NAICS产品，包括风机部件。

这些公司分布于50个州，而这些公司主要集中于人口周密、制造业失业率最高的州县。

风电主要投资分布在覆盖全美75%人口的20个州，同时也是在过去三年半中占全美制造业失业人口76%的州。

表3美国制造业具有进入风机及部件市场的公司情况

（三）劳动力需求

制造风机和部件，除了原材料和制造厂商的需求，还需要一支经过技术培训

的劳动力队伍。

这些职员将需要充分的技术能力和经验以满足许多新职位的机会

和挑战。

但是目前美国大学能源工程项目每年培养500名工程师，而在1980年，这个数字大约有2000。

另外，美国大学的风能工程项目明显少于欧洲。

图4显示了未来每年科学和工程类大学毕业生的数目将会一直减少，根据趋势，美国将无法提供足够的技术和制造专家，除非改变这个减少趋势。

图4到2050年22岁青年人具有科学和工程类学士学位的比例

（四）2030年实现20%风能目标的挑战

材料方面

几种重要的材料对风力涡轮机的生产起到关键作用，在这些原材料中，可能

会对风能大量生产起到抑止作用的是玻璃纤维（每兆瓦风机容量需要9吨）、树

脂和永磁材料。

生产制造方面

20%风电目标的实现需要年装机容量连续十年都保持20%的稳定增长，对于风电制造企业，问题已经不再是在哪里简建造更多的风机制造容量，投资决策必须规划并确保全球的供应链，前瞻性的姿态才能在快速增长和需求变化的环境中成功运营。

同时，制造业的快速增长需要稳定的、配套的政策出台以吸引投资到这些新的领域。

劳动力

对于风能开发中一个潜在的问题就是需要一支有资质的劳动力队伍。

对于

NTSC出具的一封报告显示，在未来的40年中，美国具有科学和工程类学士学

位的22岁青年人比例将持续减少。

美国需要更多来自于产业、商业组织和各级

政府部门对于大学风电项目和可再生能源技术的支持，为未来风电产业准备人

才。

美国能源部20%风能目标可行性报告之三：

风力发电机技术

编者按：

美国能源部20%风能目标可行性报告的第二章节“风力发电机技术”，重点描述风电技术的现状，介绍过去30年技术发展的简史，讨论大规模陆上风力发电机的未来改进以及海上风电技术，并述及分布式风电技术。

本文对此章节内容作一简介，以飨读者。

当前的涡轮机技术使得风能已成为能源市场的一种切实可行的能量来源。

即

便如此，风能在整个美国电力生产中仅占大约1%。

目前，推进涡轮机技术发展

的研究正在进行，这有望提高风力发电的比例。

研究领域包括：

降低资本成本，提高容量因子，以及通过改进系统可靠性来减小风险。

随着研究、开发和示范

（RD&D）的深入，这些新发展将可能在未来10年对商业生产线产生显著影响。

（一）当今的商业风电技术

源于上世纪70年代末期现代风力驱动发电机的诞生，风电技术发展至今已

得到显著的改进。

资本成本降低，效率提高，可靠性也得到改善。

目前，高质量

产品通过主要的风电机供应商日常输送到世界各地，完备的风力发电装置正设计

并入网格基础设施以满足公共事业的需求。

在本报告提出的20%风能目标中，假

设资本成本将在未来20年减少10%，容量因子将增加大约15%（对应风电装置

年产能15%的增长）。

●现代风力发电机

目前世界范围内应用的现代风力发电机，在高度为60m－80m的塔顶上装置

直径70m－80m的三叶转子。

通常，涡轮机在风速约为5.36m/s开始产出能量，在风速约为12.52m/s-13.41m/s达到最大能量输出。

当风速约为22.35m/s时，风

力机将倾斜或顺流交距叶片，以中止能量产出和转动。

多数大规模风力机为逆风

机械，这意味着它们采用叶片逆风运转来消除塔产生的阻碍。

通过涡轮机获取的可利用风能中，能源数量随风速立方增长；由此，风速增

大10%，可利用能源则增长33%。

然而，涡轮机仅能捕获这一能源的一部分，超过电力系统设计水平（额定功率）的能量，经由转子通过。

通常，风速随地面以上的高度增加而增大，这就是工程师在将材料成本降至

最低限度的同时，寻找途径以增加风力涡轮机高度和尺寸的原因。

然而，与过去

不同，未来对陆上涡轮机的尺寸已不再预期高速发展。

更大规格的涡轮机虽然物

理可行，但通过高速公路运输部件和应用大型起重机提升部件的物流制约成为难

以逾越的主要经济屏障。

许多涡轮机的设计者不希望陆上涡轮机的转子直径远大

于100m，相应的功率输出约为3MW～5MW。

●风电装置性能和价格

商用涡轮机的性能已得到逐年改善，其容量因子也随之缓慢提高。

图1显示

了1998至2005年商业运行日期（CODs）的容量因子。

数据表明，劳伦斯伯克

力国家实验室（BerkeleyLab）数据库中在1998年之前开始商业运行的涡轮机，

平均容量因子大约为22%。

而在1998年之后开始商业运行的涡轮机，呈现容量

因子增长的趋势，在2004和2005年达到36%。

图1

1980年，首台商用风电装置在加利福尼亚开始运行。

自此，风力发电的成

本显著下降。

然而，2003年以来，风能价格不降反升。

图2显示，2006年向大

型风电场支付的价格在3.0和6.5美分/千瓦时之间，平均价格接近5美分/千瓦时。

这个价格包括美国风能生产税抵减法案（PTC）的优惠、政府补贴和可再生能源销售的税收。

图2

相关人士分析，近几年风能价格上涨的原因如下：

􀂾由于美国和欧洲风能行业近期高速发展，造成涡轮机和部件短缺；

􀂾美元对欧元的走弱（许多主要风力机部件从欧洲进口，美国本土的风力

机部件生产商相对较少）；

􀂾最近三年钢铁、铜等材料成本以及运输燃料价格的显著上涨；

􀂾时断时续的风能PTC（不确定性阻碍新风力机生产设备的投资，在税抵

减法案生效时，助长仓促和高费用的生产、运输和项目安装）。

（二）未来的技术改进

技术改进将有助于应对20%风能目标中包涵的成本和性能挑战。

必需的技术

改进相对简单明了：

更高的塔架、更大的转子以及设计和制造业学习曲线的连续

进程。

没有单一的部件或设计革新能够满足技术改进的需求。

然而，通过结合一

系列特定的技术革新，风能行业能够引入成功所必备的新式先进构造。

20%风能

目标的实现，并不需要所有领域全面开花；即使仅完成部分技术革新，仍可取得

进展。

表1概括了技术改进的潜在领域。

表1

技术领域

潜在发展

性能和成本增量

（最大/预期/最小百分比）

年发电量

涡轮机资本成本

先进的塔架概念

*在不利位置安装更高的塔架

*新材料和/或工序

*先进的结构/基础

*自装配

+11/+11/+11

+8/+12/+20

先进的（放大）转子

*先进材料

*改进的结构－空中设计

*主动控制

*被动控制

*更高的端速/更低的噪音

+35/+25/+10

-6/-3/+3

减少能量损失，改善

可靠性

*减少叶片脏污损失

*耐破损传感器

*耐用的控制系统

*预测性维护

+7/+5/0

0/0/0

动力传动系统（变速

箱、发电机和电力电

子器件）

*更少的齿级或直接驱动

*中等/低速发电机

*分布式变速箱布局

*永磁发电机

*中等电压设备

*先进的齿轮齿构造

*新式电路布局

*新式半导体装置

*新材料（砷化镓、碳化硅）

+8/+4/0

-11/-6/+1

制造业和学习曲线

*持续、递增的设计和工序改进

*大规模制造

*减小设计载荷

0/0/0

-27/-13/-3

合计

+61/+45/+21

-36/-10/+21

（三）选址技术和金融风险

风险将会减小行业投资风能技术的意愿。

风险的后果，直接影响到风电制造

和运行的所有者的税收。

●直接影响

􀂾运行和维护（O&M）成本增加：

风电场使用的龄期越长，其O&M成本也相应增加。

图3和图4分别显示了美国20年内安装的风电场随龄期增加的修复成本和O&M成本。

图3

图4

􀂾低可靠性驱使可利用率不足：

当部件正在修复或更换时，系统停止发电。

即便只是一台涡轮机由于关键部件的单一故障而停产，如此损失也会累积造成税收显著流失。

􀂾风电设备装配效率不足：

若涡轮机之间的放置距离过近，其尾流相互作用，造成顺风运行的涡轮机表现不佳。

但若放置距离过远，着陆和设备维护成本增加。

●间接影响

􀂾若风力发电丧失可信性，保险和融资成本将会增加。

􀂾信心丧失归因于美国风电发展在上世纪80年代末期至90年代早期的止步不前，这也造就了欧洲风力涡轮机公司在当前行业的主导地位。

􀂾若风力装置没有连续、可靠地运行，公众将倾向于确信可再生能源不是一种可行的能量来源。

而公众信心对技术发展是至关重要的。

失去公众支持，发展新型风能行业的合作工作不可能取得成功。

●通过认证、批准和性能监控来减小风险

为减小风险，风能行业要求涡轮机遵照国际标准。

这些标准代表业内权威专

家的共同经验，包含了基于最先进的设计工具、验证测试和质量控制的成熟设计工艺。

（四）海上风电技术

海上风电装置具备分布广阔的丰富资源以及具有成本竞争力的经济潜力，这

将使其在满足美国未来能源需求中发挥重要作用。

海上风电的商业化面临许多技

术、法规、社会经济学和政治屏障，其中一些可通过短期和长期的靶向性研究、

开发和示范（RD&D）成果得到缓解。

●短期RD&D选项

􀂾对海上风力资源的全面评估

􀂾制订认证方法和标准

􀂾发展设计规范、工具和方法

􀂾安置涡轮机并设计布局

􀂾开发集风力、海平面温度以及其他气候数据于一体的混合风速数据库

●长期RD&D选项

􀂾海上作业最小化

􀂾改进制造、安装和配置方案

􀂾结合海上服务和可及性要素

􀂾开发廉价的底座、锚定系统和系泊

􀂾应用资源模型和远程剖面系统

􀂾提高海上涡轮机的可靠性

􀂾评估超大海上涡轮机的潜力

（五）分布式风电技术

对于功率低于20kW的分布式风电技术（DWT）系统，近期取得的重大进

展包含以下几个方面：

●备选的动力和载荷控制方案：

包括soft-stall转子转速控制、恒速运行、变节距叶片、铰接叶片、机械制动器等，提供更为安全和静音的涡轮机；

●先进的叶片制造方法：

包括注射、压制和反应注射成型，其优点在于缩短制作时间、降低零件成本、提高可重复性和均一性等；

●稀土永磁体：

可以得到更加密实和轻质的发电机设计；

●减小发电机齿槽转矩：

可降低切入风速，提高低风速涡轮机的性能；

●感应发电机：

这一方法常见于上世纪80年代早期，可避免使用电力电子器件，后者会增加成本和复杂性，并降低可靠性；

●并网逆变器：

一个新的发展趋势是取得美国保险商实验室（Underwriters

Laboratories）和其他遵照国家互连标准的实验室的认证；

●降低转子转速：

目的在于减小噪音，由此探求降低周速比和转子最高转速的涡轮机设计；

●设计标准和认证：

相应的标准和认证包括IEC61400-2和AWEA1997-2006。

（六）风电技术发展需求概述

20%风能目标假设风力发电将成为一种不需特惠的税收补贴而具有成本竞

争优势的发电技术。

行业可将RD&D力量集中在最需频繁维修的领域，具体维

修类型见图5。

图5

促进技术改进的引入还包括：

●通过增加塔架高度和转子尺寸提高容量因子，并开发先进的控制器和改进的动力系统；

●通过制造业革新驱动学习曲线稳步改进，由此降低资本成本。

美国能源部20%风能目标可行性报告之四：

风电传输与并网

编者按：

美国能源部发布了2030年实现20%风能目标的可行性报告，本文继续对该报告的“风电传输与并网”章节的重点内容进行节选介绍。

美国电力系统的运作不断成熟完善，如果继续按照目前的步伐发展，将有望实现2030年20％风能的目标。

20％风能目标将需要连续不断改善传输网络的规划和系统的运作，以及对电力市场的扩展。

（一）经验总结

对电力系统的研究表明：

能够可靠容纳20％的风能注入

风力发电的快速发展使得美国很多研究机构都纷纷研究技术和经济因素在

合并风电场或高效风能到电力系统中的影响。

如GE公司为纽约州开展了一项综

合的研究，考察到2008年10％风电容量注入的影响。

加州则设定了一个远大的

目标，到2010年和2020年分别实现20％和30％的可再生能源目标。

风电并网成本

风电引入电力系统的一个可变性影响因素是前一日（day-ahead）机组启停机计划过程不确定性的增加。

尽管风电预测得到不断改进，但第二日的风力负载和随之导致的发电需求存在更大的不确定性。

由于这些不确定因素的影响，将会增加最多