智利风能资源评估与开发前景分析

丁阳，许武，赵杰，苏盛

（1. 珠海供电局，广东珠海 519000；2. 湖南省智能电网控制与运行重点实验室 长沙理工大学，

湖南 长沙 410004）

作为一种技术成熟、适合于大规模开发的可再生能源，风力发电技术已成为世界各国优化能源结构、降低温室气体排放的重要举措。全球风电装机容量从1998年的9.67 GW增长至2012年的282.41 GW，年均增速达27.26%。我国在推进可再生能源发电方面更是不遗余力，大陆地区风电装机容量从1998年的0.2 GW增长到2012年的75.324 GW，年均增速达52.57%，居世界第一[1]。经多年市场培育，我国已成为风力发电和风电机组制造大国，培育了一批实力较强的风力发电机组整机制造企业[2]。通过前期风电项目培养了一批风电场建设、施工与运行维护队伍，从人员上、技术上和资金上均具备了实施走出去战略的实力。

智利位于南美西岸，经济发达，2011年国内生产总值2 468亿美元，人均14 413美元，接近发达国家水平，高居拉丁美洲第一[3]。工矿业是智利国民经济命脉，其中，以铜为代表的矿产品出口占到其出口总值的60%。该国能源消费以工矿业和交通业为主，占到75%，仅采矿及其附属行业用电即占全国的1/3。因国内化石性能源资源贫乏，该国一次能源主要依赖进口。2011年消耗一次能源3 357万吨石油当量，约2/3需从国外进口，其中煤炭545万吨石油当量，原油927万吨石油当量，天然气333万吨石油当量[4]。因大量使用柴油发电和进口天然气发电，电力价格高达0.256 4美元/kW·h。此外，因国内化石能源稀缺，能源供应易受能源价格波动和供应中断影响[5]。

据统计，截至2013年，智利的非传统可再生能源发电装机880 MW，仅占智利装机总容量的5%，其中，风能占比仅1%。该国计划通过11年的电价保障机制，刺激可再生能源发展，以达成在2024年前建设2 204 MW非传统可再生能源，使得其占总装机容量的20%、发电量的15%的战略目标[5]。

智利国土面积75.5万km2，地形狭长，南北长达4 300多km，东西宽平均仅为175 km。智利位于安第斯山脉与太平洋之间，水能资源充沛，现有水电装机9 000 MW，年发电量约为总发电的8%。北部多山，中部偏北为阿他加马沙漠。因副热带高压垄罩，终年无雨，适合太阳能开发。据测算，在该地建设的光伏电站发电成本仅为0.1～0.15美元/kW·h[6]。中部矿产富集，土地肥沃，人口稠密，是全国用电负荷中心，首都圣地亚哥及主要城市安托法加斯塔、伊基克、瓦尔帕莱索港、康塞普西翁均集中于此。南部山区人烟稀少，因处于南半球西风带，风能资源极其丰富。特别是其与阿根廷共享的火地岛，年均风速高达12 m/s。是世界上风能资源最为富集的区域。

本文首先结合智利气象站点气象观测数据进行风能资源评估，并计算了典型风电机组的利用小时数；然后分析了智利风电开发条件及其约束与风险，最后总结了中国风电企业优势及进入智利市场的方式。

1 数据处理与分析方法

1.1 气象数据

智利气象局共有186个基本和基准气象站，其中33个站点记录有2007至2011年间完整观测数据，包含每天24次（整点记录）或8次（3 h间隔记录）风速、风向、温度等气象要素，可用来进行风能资源评估。为避免拉尼娜和厄尔尼诺现象对风能资源评估准确性的影响，还根据风资源评估规程要求，将5年平均值排序后取其中间值者为气候典型年，进行风能资源评估。

1.2 评估参数与典型风电机组发电量计算方法

风力发电主要利用近地层风的动能。风速在近地层随高度而变化，可以采用式（1）指数律刻画风速随高度变化的规律：

式中，a为风切变指数；v2为高度z2的风速；v1为高度z1的风速。因缺乏下垫面地形信息，风切变指数根据风能资源测量和评估技术规定选取为1/7[6]。

风能密度是气流垂直通过单位截面积的风能，蕴含着风速、风速频率分布和空气密度的影响，是衡量风电场风能资源的综合指标。年均风能密度可用式（2）计算。

式中，n为计算时段内风速序列个数；k=1，2，···，12；nk，i表示第k个月的观测小时数；vk，i为第k个月的风速序列；ρk为月平均空气密度，kg/m3。空气密度与海拔高度和环境温度有关，计算公式为：

式中，P0为标准大气压（101.325 kPa）；g为万有引力常数，9.8 m/s2；z为海拔高度，m；R为气体常数（287 J kg-1K-1）；T为开尔文温度，K。

因当前投役风电机组单机装机容量主流配置为兆瓦级，在此选用单机容量1.8 MW的Vetas80-1 800为典型风电机组，其轮毂安装高度为65 m，切入风速为5 m/s，额定风速为13 m/s，切出风速为26 m/s，其风速出力曲线绘制如图1所示。

图1 典型风电机组风速-功率曲线Fig. 1 Wind power curve of a typical wind turbine

因各种统计分布中，威布尔分布能较好地拟合实际风速的统计特性[4-7]，本文采用双参数威布尔分布模型描述风速分布，式（4）为其概率密度函数。

式中，fw（v）为风速v的概率密度；k为形状参数；c为尺度参数；威布尔分布的概率分布函数为：

式中，Fw（v）为风速小于v的概率。

根据分布参数k，c即可确定风速的分布特征[7]。本文采用风能资源评价技术规定建议的矩法，即根据平均风速和标准差估算各站点特定时间段内威布尔参数k，c[8]，即可绘出风速威布尔分布图，并根据风速分布和风力发电机组的出力特性曲线计算得到该时间段内的发电量。

2 风能资源评估

智利年均风速分布绘制如图2所示。其中，风速大小以圈点表征，风速越大则颜色越红，圈点越大；反之，则颜色越绿，圈点越小。为方便讨论，还根据地域代表性在北部、南部和中部偏南地区选择6处风资源条件较好的典型站点，并将其细节信息列如表1。

表1 典型站点列表Tab. 1 List of typical sites

由图2可见，智利风资源条件较为理想，全国42个站点中仅7个年均风速略低于3 m/s，风资源分布有一定的地域性，且可利用风能资源和用电负荷有一定的逆向分布。

1）风能资源富集于南部山区，多数站点10 m高度年均风速在6 m/s以上，风能密度超600 W/m2，典型风机年利用小时数远超3 000 h，个别站点平均风速在10 m/s以上，风能密度超1 000 W/m2，典型风机年利用小时数达近5 000 h；

2）智利用电负荷集中在中部地区，但该区域站点平均风速多在3 m/s左右，可用风资源有限；

3）北部多山，除个别站点外，多数站点年均风速仅在4 m/s左右，风资源条件并不理想。但深入研究发现，北部山区气象站点多在谷地城市周边，受地形遮蔽风速不高，但山巅风资源条件远优于谷地，如5号站点平均风速即有5.426 m/s，6号站点卡拉马平均风速更是高达7.525 m/s。因此地靠近负荷中心，该国开发的第一个风电场即位于北部的安托法加斯塔地区。

图2 风能资源地域分布图Fig. 2 Distribution of wind power resources

为深入分析风能资源的接入条件，还将各所选6处站点根据典型风力发电机组计算的月均发电出力绘制如图3所示[9]。

图3 典型风电机组月发电量Fig. 3 Monthly power generation of typical wind turbine

所有典型站点均具有6、7月份发电出力略低而1、2、和11、12月份出力略低的特点；因智利位于南半球，夏季负荷高峰与风电出力高峰重叠，有利于风电消纳[10]。

位于北部的6号站点卡拉马全年月均出力均在1 000 kW以上，风力发电机组出力高且呈平稳态势，对风电开发和并网消纳尤为有利。

3 风资源开发的条件与约束

3.1 风资源开发条件与约束

3.1.1 电网、负荷与并网消纳

智利是国际上第一个实施电力市场化改革的国家，最早于1982年就展开电力市场化改革，在发、输、配电环节均实施了私有化和充分竞争。全国2010年4月装机容量总计15 940 MW，其中64.9%为火电机组，34%为水电机组，近1%为风电机组。智利人口在1 530万，增长率为1.4%。智利经济发展稳定，受采矿业需求增加影响，能源需求自1992年以来年均增长率保持在7%以上，其缺乏化石燃料资源的需求增加使智利成为能源净进口国。

根据国际能源组织的统计，智利90%发电机组为具有快速调节特性的燃油、燃气轮机和水电机组，具有很强的风力发电消纳能力[10]。由于地形约束，智利国家电网难以构建全国互联电网，其电网可按大区划分为4个独立电网。

1）北方电网（SING）覆盖北部的第1州和第2州，其电网结构示意如图4所示。北方电网输电线路总长3 309 km，由图4可见，电网分布密集，能满足风力发电并网基本要求。

图4 北方电网示意图Fig. 4 Power grid of SING

北方电网接入电厂多为火电厂，并网装机容量4 550 MW，占全国总装机容量的23.3%，主要为北部沙漠地区的采矿工业大用户提供供电服务。因采矿业兴旺，长期存在缺电现象。

北方电网接入发电机组中逾60%为具有快速调节特性的燃油、燃气发电机组，具有很强的风力发电消纳能力[11-12]。此外，北方电网的采矿用户负荷平稳，对供电可靠性要求高，而位于该区域的6号站点卡马拉气象数据很优秀，适合发展风电。

2）中央电网（SIC）覆盖从北部的第3州到中南部的第10州，输电线路总长10 055 km。接入发电装机容量12 904 MW，为包含首都圣地亚哥在内总人口的93%提供供电服务，供电量达全国电力需求的80%，电源中水电占75%，燃煤火电占20%，其余为柴油发电；年度总发电量56.3 TWh，其中42%为水电，其余58%为火电。受近年来异常气候影响，水电出力不足，SIC电网修建了一批柴油电厂。与SING电网不同的是，SIC电网多为居民用户。

从电源结构上看，除了燃油燃气电厂外，SING电网还有大量具有快速调节特性的水电，风电消纳能力更强于北部电网。但从气象观测数据分析结果上看，该地域不具备风能资源大规模开发条件。为提高电网互联水平，降低备用和购电成本，智利规划了连接北部和中央电网的联络线，一旦建成，将显著提高北部电网的风电消纳能力，并降低智利能源系统对进口化石性能源的依赖。

3）中部偏南的SEA电网和南部麦哲伦地区SEM电网地处偏僻，人口稀少，发电装机分别仅为52 MW和101 MW。尽管该两电网服务区风资源条件优异，但因负荷有限且地形崎岖难以修建大型互联电网，短期内难以大规模发展风电场建设。因南部麦哲伦地区沿海部发现大量的海底油田，用电量需求持续攀升，存在修建风电场就地消纳的可能。

3.1.2 政策条件

2006年1月，新法案对可再生能源发电做出了规定，免除20 MW以下非常规可再生能源的输电费用，对9 MW以下可再生能源发电项目也简化法律审批流程。

2008年，可再生能源特别法案要求2010年以后，大中型发电企业应有5%的发电量来源于非传统可再生能源领域，2015年以后该份额要求每年增长0.5%，要求与2024年达到10%。

智利2005年平均居民电价为0.109美元，平均工业电价为0.080 5美元。受近年来水电出力下降及油气电站比例显著上升影响，零售电价高达0.256 4美元/kW·h。为削减高电价对赤贫阶层的影响，设立电价补贴法案。该法案规定电价持续越限达6个月时启动补贴。

3.2 中国企业的优势和进入市场方式

中国企业进入智利风电建设与投资领域主要有以下优势：

1）丰富的风电场建设经验。中国已建成多个千万瓦级的风电基地[13]，培养出了具有世界一流风电技术设备研发、制造和运维企业，有能力在国外建设和运营风电场。

2）资金优势。在当前拉美国家经济普遍疲软的状况下，中国银行有充裕的资金支持国内企业向外发展，可以不需要当地的资金支持，自给自足。

3）公平待遇优势。智利颁布的《外国人投资法》明确表示对外资实行国民待遇，所有合法进入智利的外资与其国内企业享受完全相同的待遇，不存在本地保护[14]。

4）中国和智利早在2005年即已签署两国货物自由贸易协定，目前中国已发展成为智利第一大贸易伙伴，智方出口顺差达60亿美元。两国分别于2010年和2012年签署的服务贸易补充协定和投资补充协定，标志着中智自由贸易区建设的全面完成。《中智自贸协定关于投资的补充协定主要内容》，加大了投资者权益的保护力度，为中国企业在智利投资创造了更为有利的条件。

适合中国风电机组和能源企业进入智利风电市场的方式主要有：

1）风电机组出口。与风电场承建商合作，出口中国制造的风电机组，协助其建立风电场。

2）在当地投资建设风力设备生产厂。未来10年内，智利将大力发展非传统再生能源。在当地直接投资建设公司，不但可以为当地提供就业从而得到当地政府支持，还可节约海运运费，得到双赢局面。

3）直接参与当地风电场的建设与运营。中国已有大型风电场的建设和运营能力，可以竞标建设运营风电场，不但可以对外销售风电机组，还可取得风电运营收益。

早在2011年，金风科技即已在中国国家开发银行融资支持下向智利出售GW87 1.5 MW风力发电机，协助Mainstream Renewable Power公司在智利北部建立大型风能发电场，该风电场已于2013年10月成功投产[15-16]。

4 结语

本文根据智利地面气象站点气象观测资料及电网相关信息，评估了智利的风能资源情况，分析风能资源开发与并网消纳条件。分析表明智利南部地区风能资源极其丰富，但受电网条件约束，短期内不具备大规模发展风电项目的条件；智利北部地区电网密集，负荷多为采矿工业大用户，负荷平稳，而卡拉巴附近风资源条件优异，风速变化率较小，并将与中部电网实现互联，非常适宜于大规模风电场开发建设[16]。中国企业可充分利用智利政府发展可再生能源发电技术的扶持政策，凭借价格优势、资金优势和技术经验等竞争优势，积极参与智利风电建设。

[1] 中国可再生能源学会风能专业委员会. 2012中国风电装机容量统计[R]. 北京: 2013，1-3.

[2] Annie Dufey. Opportunities and domestic barriers to clean energy investment in Chile[R]. Available online: http://www.iisd.org/pdf/2010/bali_2_copen hagen_Chile_Jun2010.pdf.

[3] 李军军，吴政球，谭勋琼，等. 风力发电机及其技术发展综述[J]. 电力建设，2011，32（8）: 64-72.LI Junjun，WU Zhengqiu，TAN Xunqiong. Wind turbines and technology development review[J]. Power Construction，2011，32（8）: 64-72（in Chinese）.

[4] 靳丹，何式恩，丁坤. 关于大规模风电基地建设的思考[J]. 电力建设，2011，32（10）: 58-60.JIN Dan，HE Shien，DING Kun. Thoughts on the construction of large-scale wind power base[J]. Power Construction，2011，32（10）: 58-60（in Chinese）.

[5] CONRADSEN K，NIELSEN L B. Review of weibull statistics for estimation of wind speed distributions[J]. Journal of Applied Meteorology，23（8）: 1173-1183.

[6] 王颖，魏云君. 风电场风速及风功率预测方法研究综述[J]. 陕西电力，2011，39（11）: 18-21.WANG Ying，WEI Yunjun. Review on forecasting model of wind speed and wind power[J]. Shaanxi Electric Power，2011，39（11）: 18-21（in Chinese）.

[7] 杨其嘉. 太阳能、风能共同为人类提供清洁能源[J]. 节能技术，1994，12（2）: 14.YANG Qijia. Solar energy，wind energy to provide clean energy for human[J]. Energy Conservation Technology，1994，12（2）: 14（in Chinese）.

[8] 吴林伟，揭业炜. 计及风电场的发输电系统风险评估[J].陕西电力，2012，40（6）: 19-22.WU Lingwei，JIE Yewei. The transmission system of risk assessment of wind electric field[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（6）: 19-22（in Chinese）.

[9] 陈虎，孟克其劳，马建光. 基于MATLAB的风力发电机组建模和仿真研究[J]. 节能技术，2010，28（1）: 24-28.CHEN Hu，MENG Keqilao，MA Jianguang. Research on modeling and simulation of wind turbine based on MATLAB[J]. Energy Conservation Technology，2010，28（1）: 24-28（in Chinese）.

[10] 傅旭，李海伟. 大规模风电场并网对电网的影响及对策综述[J]. 陕西电力，2010，38（1）: 53-57.FU Xu，LI Haiwei. A review of large-scale grid connected wind farm effects on power system and countermeasures[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（1）:53-57（in Chinese）.

[11] 陈达，张玮. 风能利用和研究综述[J]. 节能技术，2007 25（4）: 339-343.CHEN Da，ZHANG Wei. Exploitation and research on wind energy[J]. Energy Conservation Technology，2007，25（4）: 339-343（in Chinese）.

[12] 黄雅莉，贺志峰. 国外风电消纳的主要经验及借鉴[J].陕西电力，2013，41（10）: 19-24.HUANG Yali，HE Zhifeng. Main experience of wind power consumption at abroad and its reference for China[J].Shaanxi Electric Power，2013，41（10）:19-24（in Chinese）.

[13] 中国加速迈向世界风电第一大国[J]. 陕西电力，2008，36（7）: 49.Chinese accelerates towards the first big country of world wind power[J]. Shaanxi Electric Power，2008，36（7）: 49（in Chinese）.

[14] 段黎萍. 风能领域的主要竞争者的技术竞争战略分析[J].节能技术，2008，26（6）: 550-553.DUAN Liping. Technical analysis of competitive strategy of main competitors in the field of wind power[J]. Energy Conservation Technology，2008，26（6）: 550-553 （in Chinese）.

[15] 申宽育.中国的风能资源与风力发电[J].西北水电，2010，29（1）: 76-81.SHEN Kuanyu. Wind energy resources and wind power in the China[J]. Northwest Hydropower，2010，29（1）: 76-81（in Chinese）.

[16] 张国伟，龚光彩. 风能利用的现状及展望[J]. 节能技术.2007，25（1）: 71-76.ZHANG Guowei，GONG Guangcai. Status and prospect of wind energy utilization[J]. Energy Conservation Technology，2007，25（1）: 71-76（in Chinese）.