【专题：环境技术解说】风力发电（下）

　　摘 要：风电在全球范围内呈现快速扩张的态势。日本对风电寄予厚望，正在推进布局，不过其中还存在着不少问题。本文将详细介绍风电的动向、问题和技术开发的主题等。

　　风电的发电功率随风况而波动。风况是指平均风速、瞬时风速、风向和风速的紊乱等现场风的状况和性质的术语。

　　“并网”是指“连接到电网”的电力行业术语。由于如果发电功率波动较大，会引起并网电力系统的电压和频率波动，进而影响电力质量，因此需要针对功率波动采取措施。关于这个问题和措施将在另一节［4.并网措施］中进行详细说明。

　　据称，噪音的主要原因是来自增速机齿轮的机械噪音和来自叶片的风噪音。由于这些噪音具有独特的频率（音调），并伴有谐波成分和低频振动等，即使降低声音强度（声压）仍可能令人反感，因此需要采取相关措施，不仅包括增速机和叶片的改进，还包括安装位置的选择。

　　过去，曾发生过因强风导致塔架连同地基倒塌，叶片和机舱盖受损散落等事故。尤其是在地形复杂的山区，由于风速和风向波动较大等原因，人们也担忧因叶片的机械疲劳而损坏。此外，在台风和强风时，还需要安全停止风车等措施。

　　为了减少日本的自然特性（地形和天气条件）引起的灾害，NEDO制定了《日本风电指南》[参考]，关于风力条件的设定和评估方法等，总结了《台风·湍流措施篇》。

　　风力涡轮机遭受雷击并不少见。雷击可能导致叶片结构损坏，或损坏电气和控制部件，从而导致运行中断。对此，需要包括结构、材料、防雷设备、表面涂层等在内的防雷击措施。NEDO在《日本风电指南》中，就日本雷击灾害的实际情况和风险降低措施等，总结了《防雷击措施篇》。

　　目前，日本供应东日本50Hz和西日本60Hz的交流电。由于电力供需不平衡表现为电源电压和频率的波动，因此通过发电和输电系统之间的紧密保护和协调，将波动控制在一定范围内。这样供应的优质电力通过制造设备等的稳定运行带来了高质量的工业产品，成为日本工业竞争力的一部分。

　　通常情况下，与发电厂直接相连的主电力系统通过火电厂的运行·停止和抽水蓄能电站的运行等吸收变动，平衡供求，维持频率（图8）。

　　在风电场和大规模光伏电站（大型太阳能发电厂）等大功率发电设备进行并网时，维持频率的负荷（波动吸收量）也很大。

　　在此背景下，电力公司将风电设备和光伏发电设施并入电网的上限设定为“并网容量”，限制了并网。这也是其供电比例仅为总量的0.5%（2014年）和总装机容量的2%的原因之一。

　　作为应对措施，2015年1月以后新建的风电和光伏发电设施必须安装调节输出功率的“远程输出控制系统”。同时，吸收功率变动的大型电池系统“系统蓄电池”的实证实验[参考]也已经启动。

　　与日本不同，在风电发达的丹麦，其国内30%以上的电力需求都由风电提供。之所以达到如此高的标准，是因为丹麦将全国的电力系统进行了优化以适配风电，例如通过天气预报预测输出波动，并调整现有发电厂的运行。为了进一步普及风电，除了进一步的技术开发外，还需要在制度方面的考虑和在运用上下功夫。

　　风电设备最好安装在常年刮风且风况良好的地方，但另一方面，由于风电设备会给周边环境产生影响，因此在选址时需要事先进行调查和征得当地同意等详细准备工作。本节将分别介绍陆地和海上面临的挑战和措施。

　　在陆地上，随着风电设备装机容量的扩大，风况良好的土地越来越难以寻觅。有相当多的企业经营者跑到山区或国家/准国家公园寻求选址，毕竟这些地方是目前留下的为数不多的适合风电的陆地区域。但是，除了已经提到的技术问题外，还有许多其他问题需要解决，比如并网的输电线路容量问题、零部件运输和维护相关的道路维护问题、防灾和景观相关问题、鸟击和对生态系统影响的相关问题等。

　　在这种情况下，日本环境省和资源能源厅于2007年召开了4次“风电设备和自然环境保护研究会”，从野生动物保护和景观保护的角度出发，通过选址和建立共识的过程，梳理了讨论的要点。

　　日本环境省的“风况波动数据库”，提供了过去20年在离地80m处以500m网格、1小时为单位的年平均风速、最大值/最小值、16个方向的风向和发生频率等信息。该数据库基于《2013财年旨在扩大可再生能源引入的系统维护等调查项目委托业务等》创建。

　　根据多项研究显示，日本的海上风电的“潜力”（理论上可能的发电总量）最少为936亿kWh/年，最高的估计为7080亿kWh/年，对照2014年日本电力需求8230亿kWh（共10家电力公司），显示了极大的潜力（图10）。

　　※在基于前面提到的“风况图”推算的风速6.5m/s以上的网格合计的“潜力”上，叠加“离岸距离”、“推进”、“法规制度分类”等社会条件，求得了“海上风电的装机潜力”。

　　NEDO制定了风电的中长期装机目标，并制定了《风电路线图》来推进装机工作的开展。在该路线图中，作为海上风电装机的前景，以沿岸地区装机（低水深区域、固定式）和近海地区（高水深区域、安装在浮体上的浮体式）大规模装机为前提，设定了2030年总装机容量为1300万kW（固定式300万kW，浮体式1000万kW）的目标。

　　在这种情况下，人们正在进行海上风电相关的各种研究。东京大学和东京电力公司在开发轻型浮体结构的同时，正在进行减少对风车耐久性产生不利影响的波浪引起的浮体摇晃量，以及开发可以高精度地评估摇晃量和构造强度的数值分析程序。

　　基于东京大学实施的上述研究，福岛县自2011年开始启动了一项大规模海上风电的实证研究，旨在“通过创建以可再生能源为中心的新产业，使福岛成为风机产业的主要集群，以从东日本大地震中复苏”。

　　其正式名称为“福岛复兴·浮体式海上风电场实证研究项目”，成立了一个由综合商社、大学、造船、钢铁、机械、总成、银行组成的联盟，并且在观测·预测技术、发电·变电技术、浮体设计和钢材开发、环境评价、与渔业共存等各个方面设定了研究课题。

　　继2013年11月发电量达2000kW的风机“福岛未来”在距福岛海岸约20km的海域开始运行后，自2015年12月起，被命名为“福岛新风”的世界上最大的浮体式超大型风机（转子中心高105m，转子最高点188.5m，发电量7000kW）已开始发电。

　　“福岛新风”有望成为未来风力发电的主力军，预计未来将更加积极地推进海上风电的实现和精细化研发。（完）

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