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中國風(fēng)電已經(jīng)發(fā)展成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的主力能源，是支持電力系統(tǒng)率先脫碳，進而推動能源系統(tǒng)和全社會實現(xiàn)碳中和的“主力軍”。到2022年11月，中國風(fēng)電不僅在累計并網(wǎng)裝機容量上達到了3.5億千瓦，連續(xù)十余年穩(wěn)居世界首位，還在風(fēng)電機組的研發(fā)與制造上取得重大突破，金風(fēng)科技GWH252-16MW、中國海裝H260-18MW、明陽智能MySE18.X-28X和MySE16.X-260等單機容量達16~18MW的大型海上風(fēng)電機組接連下線與發(fā)布。

看似朝夕間的質(zhì)變，卻是幾代人的拼搏成果。當(dāng)多方有利因素通過一代代風(fēng)能人的手聚沙成塔，所迸發(fā)的力量銳不可當(dāng)。

“我們正在邁入風(fēng)電技術(shù)的‘無人區(qū)’，未來充滿挑戰(zhàn)，卻創(chuàng)造更多可能。”一位專注于解決未來風(fēng)電技術(shù)難題的專家對《風(fēng)能》談道。

看得見的未來

是什么推動中國風(fēng)電技術(shù)迎頭趕上了國際同行呢?這與發(fā)展規(guī)劃、電價政策、技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)配套等多方面的有力支撐息息相關(guān)。其中，最關(guān)鍵的是發(fā)展規(guī)劃為中國風(fēng)電創(chuàng)造了看得見、摸得著的未來。

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

結(jié)合上述目標(biāo)，國家進一步明確到2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上，對風(fēng)電發(fā)展提出了新任務(wù)、新要求。

為落實國家大政方針，風(fēng)電行業(yè)通過科學(xué)推算、自發(fā)組織，先后兩次發(fā)布含有明確發(fā)展目標(biāo)的宣言與倡議。

在2020北京國際風(fēng)能大會暨展覽會(CWP 2020)上發(fā)布的《風(fēng)能北京宣言》中提到，為達到與碳中和目標(biāo)實現(xiàn)起步銜接的目的，在“十四五”規(guī)劃中，須為風(fēng)電設(shè)定與碳中和國家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間:保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。更遠期，2025年后，中國風(fēng)電年均新增裝機容量應(yīng)不低于6000萬千瓦，到2030年總裝機容量至少達到8億千瓦，到2060年至少達到30億千瓦。

不久前發(fā)布的《2022全球海上風(fēng)電大會倡議》提出:綜合當(dāng)前發(fā)展條件以及我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的要求，到“十四五”末，我國海上風(fēng)電累計裝機容量需達到1億千瓦以上，到2030年累計達2億千瓦以上，到2050年累計不少于10億千瓦。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在積極且穩(wěn)定的頂層設(shè)計和“1+N”政策的持續(xù)引導(dǎo)下，僅各地出臺的海上風(fēng)電規(guī)劃總?cè)萘烤鸵殉^8000萬千瓦。

2022年，歐洲能源供應(yīng)問題警醒各國，能源安全成為焦點。就此，風(fēng)電已不僅僅因其綠色與市場價值在能源體系中發(fā)揮作用，更將成為確保國家能源安全的關(guān)鍵組成部分。

“值得強調(diào)的是，可再生能源是本國可以掌控的、不受國際地緣政治變化影響的能源。隨著非化石能源比例的增大，它在能源供給安全中將起到舉足輕重的作用。”國家能源咨詢專家委員會副主任、中國工程院院士杜祥琬曾撰文表示。

作為推進碳減排與確保能源安全的重要舉措，我國風(fēng)電躍升發(fā)展實屬必然。在如此有利的客觀環(huán)境下，風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域不僅得到政策的大力支持，各類資源與資金也正在此匯集，形成推動風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的澎湃動力。

滿足市場化需要

積極的政策引導(dǎo)與可觀的發(fā)展預(yù)期，創(chuàng)造了巨大市場空間。同時，風(fēng)電平價與競價政策的落地，又對開發(fā)收益產(chǎn)生較大影響。

2019年5月21日，國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價政策的通知》(發(fā)改價格〔2019〕882號)明確規(guī)定，2018年年底之前核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目，2020年年底前仍未完成并網(wǎng)的，國家不再補貼;2019年1月1日至2020年年底前核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目，2021年年底前仍未完成并網(wǎng)的，國家不再補貼。自2021年1月1日開始，新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)，國家不再補貼。將海上風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價改為指導(dǎo)價，新核準(zhǔn)海上風(fēng)電項目全部通過競爭方式確定上網(wǎng)電價。對2018年年底前已核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項目，如在2021年年底前全部機組完成并網(wǎng)的，執(zhí)行核準(zhǔn)時的上網(wǎng)電價;2022年及以后全部機組完成并網(wǎng)的，執(zhí)行并網(wǎng)年份的指導(dǎo)價。

“一方面是大規(guī)模發(fā)展，一方面是市場化的電價對項目的收益預(yù)期產(chǎn)生影響，這要求開發(fā)企業(yè)更膽大心細?！憋L(fēng)電開發(fā)技術(shù)專家張輝認為:“為做到規(guī)模與收益的兩者兼顧，在開發(fā)模式和風(fēng)電技術(shù)上發(fā)力是最佳途徑?！?/p>

風(fēng)電項目開發(fā)降本的途徑有很多，包括規(guī)模降本、管理降本、工程降本、技術(shù)降本等。在開發(fā)模式上進行創(chuàng)新，主要是有利于規(guī)模與管理降本。行業(yè)專家一直建議地方政府將項目規(guī)模設(shè)置得足夠大，以攤薄項目開發(fā)乃至區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的整體成本。而在風(fēng)電技術(shù)方面，目前最行之有效且普遍采用的方式，是通過提高機組單機容量，降低機組的單位千瓦造價。

“從風(fēng)電機組研發(fā)的本身而言，近些年降低風(fēng)電項目開發(fā)度電成本的主流技術(shù)途徑，是在確保機組發(fā)電能力前提下的大型化。”張輝認為。

中國海裝研究院機械設(shè)計所所長、H260-18MW產(chǎn)品負責(zé)人楊微，以中國海裝H260-18MW為例解釋機組大型化滿足風(fēng)電開發(fā)降本的邏輯:“它具有全球最大風(fēng)輪直徑，在相同條件下能夠吸收更多風(fēng)能、發(fā)更多的電;同時，更大功率提升發(fā)電量的同時，可以有效節(jié)約用海面積、降低機位點數(shù)量，進而降低海上風(fēng)電場工程建設(shè)與運維成本。”

因此，機組大型化帶動的不僅僅是技術(shù)降本，更重要的是對工程降本有利。這在機組設(shè)備成本占比較低的海上風(fēng)電市場中，表現(xiàn)得尤為明顯。

以100萬千瓦的海上項目測算，相比10MW機型，18MW機組所需機位點更少，工程施工成本更低，工程單位千瓦總投資成本可降低20%以上，施工時間窗口可減少30%以上。

致力于做得更大

說到大，主流的海上風(fēng)電機組幾乎比陸上機型大一倍，這正是由海上風(fēng)電工程成本高、施工與運輸條件所決定的。據(jù)《風(fēng)能》統(tǒng)計，2022年我國下線的海上機組最大單機容量提高了7MW之多，這幾乎是一臺陸上新型機組的單機容量。

據(jù)了解，我國海上機型共經(jīng)歷了三代發(fā)展。第一代產(chǎn)品是通過整機引進或在歐洲知名設(shè)計公司的指導(dǎo)下，結(jié)合我國海上復(fù)雜環(huán)境研發(fā)出來的，風(fēng)輪直徑小于150m，單機容量小于5MW。第二代產(chǎn)品開始自主研發(fā)，單機容量不超過8MW，風(fēng)輪直徑小于200m，是“搶裝”時期的主力機型。第三代產(chǎn)品是以平價為特征的8.5~16MW機型，風(fēng)輪直徑達到200~260m，一些產(chǎn)品具有較強的抗臺風(fēng)能力。

在新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，為保證發(fā)電能力，單機容量越大風(fēng)輪直徑也需要相應(yīng)地增大。各部件重量與載荷的增加，使技術(shù)難度大幅提升，研發(fā)人員必須突破更多瓶頸。

“機組的大型化，不是簡單的延伸和放大。隨著功率、載荷的增大，零部件的尺寸和重量將急劇增加，如果不通過基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新拓展大型化邊界，超大容量機型開發(fā)就不具備可行性與經(jīng)濟性?！睏钗@一點頗有感觸。

因此，越來越多的整機企業(yè)將目光轉(zhuǎn)移到中速永磁(也稱半直驅(qū)、混合)技術(shù)路線上。在2022年，新下線的海上風(fēng)電機型共12款，其中有10款采用了該技術(shù)路線。

“中速永磁技術(shù)實現(xiàn)了重量、可靠性、成本等多方面的平衡，從而可以做到更大?！睆堓x解釋。

當(dāng)然，除了技術(shù)路線外，我國風(fēng)電整機技術(shù)還有諸多方面實現(xiàn)了突破。例如，深遠海大功率風(fēng)電機組整機支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)，整機平臺化設(shè)計技術(shù)，智能控制技術(shù)，大功率整機與超長葉片仿真測試驗證能力等。

以深遠海大功率風(fēng)電機組整機支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)為例，通過對風(fēng)、浪、海床等外部條件以及主機、塔筒、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)的一體化建模，并在高速迭代能力支持下，可實現(xiàn)葉片、機艙結(jié)構(gòu)件、塔筒與基礎(chǔ)等的輕量化設(shè)計?！霸诖诉^程中，全耦合的一體化建模，以及一體化全耦合模型的求解解耦是具有相當(dāng)難度的，我們必須迎難而上?！睏钗⒄劦?。

越來越大的風(fēng)電機組不僅考驗整機研發(fā)人員的能力，也同樣考驗著我國風(fēng)電工程技術(shù)水平。值得慶幸的是，“基建狂魔”深諳此道。

據(jù)了解，中國海裝首臺H260-18MW機組計劃安裝的浙江蒼南項目，離岸50km以上，水深30m左右，是全球最極端的臺風(fēng)頻發(fā)海域。且該項目海底有比較深的淤泥，施工挑戰(zhàn)大，具有典型的深遠海風(fēng)電場開發(fā)特征。

“受制于海上機組吊裝對吊高和樁腿長度的技術(shù)要求，目前國內(nèi)滿足18MW機型安裝要求的安裝平臺有1艘，但2023年將有3艘新一代自升式風(fēng)電安裝平臺服役，未來5年預(yù)計將有10~20艘具備該級別海上機組吊裝能力的風(fēng)電安裝平臺?！睏钗⒎Q。

關(guān)鍵部件發(fā)力

在一定程度上，采用中速永磁技術(shù)路線，避開了一些其他技術(shù)路線機型實現(xiàn)進一步大型化的難點，尤其是給一些關(guān)鍵零部件的大型化創(chuàng)造了有利條件，也更易發(fā)揮出我國在風(fēng)電關(guān)鍵零部件方面的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

“雙饋發(fā)電機的大型化難點在于轉(zhuǎn)速高引起的轉(zhuǎn)子線圈及轉(zhuǎn)子組件的結(jié)構(gòu)可靠性，對轉(zhuǎn)子的動平衡精度及滑環(huán)可靠性要求很高;直驅(qū)發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、體積大、重量重，大功率化后裝配、浸漆、吊運等都難以實現(xiàn)，對設(shè)備及工裝的要求極高，而且受永磁材料成本影響，單機成本也非常高。”楊微談道:“超大型中速永磁發(fā)電機，巧妙地避開了雙饋與直驅(qū)的設(shè)計難點和制造痛點?！?/p>

中國海裝提供的數(shù)據(jù)顯示，該公司為匹配H260-18MW機型下線的19MW中速永磁發(fā)電機外徑3.4m，重量僅為33t，兩項數(shù)據(jù)都比1.5MW的直驅(qū)發(fā)電機小。

然而，這并不代表企業(yè)在研發(fā)中速永磁發(fā)電機過程中，沒有提升技術(shù)水平。事實上，為了使中速永磁發(fā)電機更緊湊，研發(fā)人員正在不斷提升其功率與轉(zhuǎn)矩密度。以H260-18MW機型為例，其功率密度高達350W/kg，轉(zhuǎn)矩密度不低于12kNm/t。

齒輪箱也是同樣的道理。據(jù)介紹，高速傳動鏈齒輪箱扭矩密度目前能達到140Nm/kg，如果不通過技術(shù)創(chuàng)新提升其扭矩密度，18MW級風(fēng)電機組僅齒輪箱重量將達到約160t。

“在由發(fā)電機與齒輪箱所組成的發(fā)電單元中，齒輪箱的重量占到三分之二，優(yōu)化它的意義更大?！痹谶M一步談及中速傳動機組的大型化發(fā)展時，張輝認為多行星級、多行星輪及傳動鏈高度集成化，是提升傳動系統(tǒng)扭矩密度的關(guān)鍵:“齒輪箱行星輪數(shù)量越多，能夠分擔(dān)的總功率就越大，在同樣功率下齒輪箱重量就越輕?！?/p>

據(jù)楊微介紹，中國海裝H260-18MW機型正是通過采用多行星級、多行星輪技術(shù)，將齒輪箱扭矩密度提升到210Nm/kg，這可視為全球先進水平。

相比發(fā)電機與齒輪箱而言，葉片更可能成為機組大型化的卡點。為突破葉片長度極限，中國葉片廠商不斷革新生產(chǎn)工藝，嘗試高性能材料，優(yōu)化氣動設(shè)計。仍以中國海裝H260-18MW機型為例:在設(shè)計上，嘗試了適用于復(fù)雜環(huán)境的高雷諾數(shù)風(fēng)電機組葉片翼型氣動設(shè)計、超長柔性葉片氣動―結(jié)構(gòu)―載荷一體化設(shè)計等技術(shù);在材料上，其選用了高模玻纖、碳纖維、聚氨酯等;在生產(chǎn)工藝上，采用國產(chǎn)大絲束碳纖維拉擠板整體成型、自動化鋪層與葉根及尾緣梁預(yù)制成型、超長葉片殼體一體灌注成型、多腹板組裝及合模智能裝配、相控陣無損檢測等先進技術(shù)，確保葉片從設(shè)計、材料、生產(chǎn)、檢測到運行全生命周期的可靠性與穩(wěn)定性。

新賽道開啟

不久前，中國海裝對外宣布，將繼續(xù)研制300m以上風(fēng)輪直徑、25MW以上輸出功率的機型。風(fēng)電機組到底能做到多大，在一定程度上取決于各關(guān)鍵零部件，而在目前技術(shù)條件下，后者的大型化技術(shù)邊際不盡相同。

“單機容量持續(xù)增大后，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子體積重量增大，集成式結(jié)構(gòu)發(fā)電機重量由齒輪箱承重，功率增大帶來軸向和徑向方向變長變大，轉(zhuǎn)子撓度不足影響氣隙，進而影響發(fā)電機效率和發(fā)電性能。”楊微推測:“結(jié)合目前新技術(shù)新材料的研發(fā)進度、行業(yè)供應(yīng)鏈成熟度、設(shè)備加工制造能力等因素，初步預(yù)估現(xiàn)有的常規(guī)水平軸風(fēng)電機組瓶頸在30MW級左右?！?/p>

相比發(fā)電機來說，葉片的提升更難。這是因為葉片長度的增長不僅取決于技術(shù)，同樣還要求生產(chǎn)廠房不斷改建，投入更多配套生產(chǎn)工裝，也受制于運輸和吊裝難度。楊微認為，葉片長度的發(fā)展會更快達到瓶頸期，預(yù)計將有一段時間停滯在130m級，直至在材料或工藝上取得新的突破。

當(dāng)中國風(fēng)電技術(shù)進入國際先進行列，就意味著在未來發(fā)展進步過程中，要越來越多地依賴自身能力的提升。

另一個顯著的例子，是我國對海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)的探索，正小步快跑地進行。在這個領(lǐng)域，可借鑒的國際經(jīng)驗也并不豐富。與固定式風(fēng)電有所不同，漂浮式風(fēng)電機組必須搭載更先進的控制技術(shù)，掌握浮體運動控制策略，使機組能適應(yīng)風(fēng)、浪、流等復(fù)雜運行環(huán)境。

為了抓住這把解鎖深遠海風(fēng)電規(guī)?；_發(fā)的“鑰匙”，中國已經(jīng)有3家整機商與開發(fā)企業(yè)、工程技術(shù)單位展開深度合作，下線了4款漂浮式風(fēng)電機型。其中，有2款機型已經(jīng)在廣東海域安裝與并網(wǎng)，1款機型計劃2023年在設(shè)計水深200m、離岸距離10km的挪威海域投運。

最新的海上風(fēng)電機型被國外市場認可，率先在海外投運，這是前所未有的。中國風(fēng)能人付諸多年心血推動的“兩?！睉?zhàn)略正在形成合圍之勢，或許將創(chuàng)造風(fēng)電歷史的另一個里程碑。