风能发电技术范式

摘要：从技术范式的角度分析低碳经济环境下的新能源技术范式，归纳出风能技术范式演进的规律。本文阐述了风能利用技术的发展历程，主要叙述了风能利用的三个重要阶段，以风力发电技术为主的竞争阶段，以海上风能发电技术为主的扩散阶段以及混合能源发电技术为主的转迁阶段，指出了风力发电技术最具潜力的是风光互补发电技术。风能技术范式的提出必然会促进风力发电技术更快发展并带来更好的效益。

关键词：风能；风力发电；技术范式；互补发电系统

一：低碳能源技术范式

随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和生产生活方式的无节制，全球整体呈现经济高速增长、能源消耗持续上升的态势。大量化石能源的使用，直接导致了环境污染越发严重。尤其是以二氧化碳为主的温室气体排放量急剧上升，造成全球气候变暖，冰川积雪减少，两极冰山熔化，海平面明显上升，使沿海地区遭受水灾，从而造成对生态环境的影响。在此种背景下，如何应对全球气候变暖成为全世界共同关注的议题，并上升成为全人类面临的巨大挑战之一。“低碳”概念的提出应运而生，并终将成为减缓全球气候变暖与实现可持续发展的主要途径和必由之路。

低碳化的实质是高能源效率和清洁能源结构问题，核心是能源技术创新和制度创新[1]，实现手段是低碳技术范式。从事科技史研究的美国学者Thomas Kuhn 于1962 年发表了《科学革命的结构》《The Structure of Scientific Revolution》）一书中，首次提出了“范式”的概念[2]。意大利经济学家G.Dosi 在1982 年把Kuhn 关于科学范式概念的阐述以及以此概念为基础而构成的科学发展模式，用于技术发展和创新研究，提出了关于“技术范式”（technology paradigm）的概念[3]。风能是低碳能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源技术。风能的合理开发和利用，可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资源给环境带来的污染问题，在远期有可能成为世界上重要的替代能源[4]。因此，结合低碳技术范式和风力发电技术，风能技术范式应运而生。

二：风能技术范式

人类利用风能的历史可以追溯到公元前，中国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪，中国人就利用风力提水、灌溉、磨面和利用风帆推动船舶前进。风能的利用，总体上仍是能量形式的互相转换。主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，一般利用风推动风车的转动以形成动能。其具体用途包括风力发电、风帆助航、风车提水、风力制热采暖等方面。其中，风力发电成为风能范式竞赛阶段主要利用形式。

2.1 竞赛

作为风能利用的最重要形式，风力发电技术，是产业成熟度最好、市场竞争力最强、最易实现商业化的可再生能源技术。风电作为清洁可再生能源，近些年来，在全世界范围内受到越来越广泛的重视，发展步伐也越来越快。风力发电无温室气体排放，是二氧化碳减排的有效技术，几乎适用于世界各地。风力发电的全球需求巨大，并持续增长。根据Dosi 的技术范式理论[3]，在市场需求以及技术推动的双重作用下，风力发电逐渐成为风能技术范式竞赛阶段的演进路径。风力发电包含了风能到机械能和机械能到电能两个能量转换过程。在由机械能转化为电能的过程中，发电机及其控制系统是整个系统的核心，负责将机械能转化为电能，其不但直接影响系统的性能、发电效率和供电质量，而且还影响到风能转化成机械能的方式和效率。因此，研究并设计可靠且高效的发电机系统是发展风力发电的一个重要内容。

2.2 扩张

20 世纪70 年代石油危机以后，开始了风能利用的新时代。早期风电开发主要在陆地，随着工业发展进程的加快以及人类对能源依赖程度的不断提高，在市场需求和产业技术竞争的双重推动下形成的，人们认识到仅仅利用陆地发展风能已经远远不够，开发海上风电场迫在眉睫。在得到欧盟的支持后，各国学者开始对海上风力资源和有关技术进行研究。自1991年世界上首座海上风电场在丹麦建成以来，海上风力发电成为风力发电领域的全新亮点，风力发电的研究重点也逐渐从陆地向海上转移。21 世纪是世界风电产业由陆地转向海洋的世纪，随着海上风电场技术发展的成熟，经济合理性凸显，风能将来必然会成为世界各国的重要可再生能源。风能技术范式扩张阶段亦从此拉开了序幕。

海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，因此从能源利用角度出发优于陆地风电场。但是，海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高，将这两个因素比较之后，综合考虑，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。海上风电场与陆地风电场相比，主要有以下优势：（1） 风速高与陆地相比，海上风速较高。一般说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10 km的海面风速比陆地高25% 以上[5]。

（2） 寿命长。陆地因地面高低不平，对风力、风向、风量均有影响，有时还会引起紊流，对风轮叶片会产生破坏力，引发振动和疲劳断裂。而海洋风情稳定，海面平坦，具有稳定的主导风向，不会引发功率的异常变动和对叶轮的破坏。

（3） 时数高。由于海上没有静风期，因而年利用时数也高一些。

（4） 稳定好。海面上空高度上的风速比较稳定、变化幅度小，风电场输出功率波动小，有利于电网的稳定运行。

（5） 影响小。海上风电场对环境影响小，不必担心电磁波、噪声等对居民的影响，甚至可以实施高速运行。

（6） 造价低。海面风速随高度变化增加很快，风速变化梯度小，支撑风力机的塔架不需太高，可以降低造价，减少安装及维护费用.

2.3 转迁

风能、太阳能都是取之不尽、用之不竭的可再生能源，它们在新能源和可再生能源中备受关注，其发展速度也很惊人。近几年来，每年均以40% 左右的速度在高速发展。同时，它们又都是不稳定、不连续的能源。若将其单独用于无电网地区，则需要配备相当大的储能设备，或者采取多能互补的办法，以保证稳定的供电。再加上风能发电技术自然极限的出现以及风能发电效果累计绩效开始下降时，使得其技术的生命开始接近自然极限。在此种条件下，风力与太阳能互补发电系统（以下简称风光互补发电系统）应运而生，成为风能技术范式转迁阶段的主角。

太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小；晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的电源系统[6]。

三：结论

随着科技的进步，人类对风能的认识不断深化，风力发电具有极大的潜力可以部分满足剧增的全球能源需求。风电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电品种，受到世界各国的重视。我国正处于工业化阶段，对能源的需求在不断增加，新能源技术的发展才刚刚启动。风能发电技术范式为政府以及研究者明确新能源技术发展规划方向， 不断完善能源技术创新机制，增强技术自主创新能力提供了重要的支撑。（作者单位：四川大学商学院）

参考文献：

[1]张愉， 陈徐梅， 张跃军. 低碳经济是实现科学发展观的必由之路. 今日焦点， 2008， 30（7）： 21C23

[2]赵建军， 郝栋. 低碳技术范式与生态文明建构. 淮阴师范学院学报（哲学社会科学版）， 2010， 32（5）： 586C591

[3]G. Dosi. Technological paradigms and technological trajectories： a suggested interpretation of the determinants and directions of technical change. Research policy， 1982， 11（3）： 147C162

[4]陈达， 张玮. 风能利用和研究综述. 节能技术， 2007， 25（144）： 339C343

[5]战培国， 于虹， 侯波. 海上风力发电技术综述. 电力设备， 2005， 6（012）： 42C44

[6]刘山凤， 龙江， 方韬. 风光互补新能源成新趋势. 电气技术， 2008， （12）： 69C71