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中國(guó)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(jìn)而推動(dòng)能源系統(tǒng)和全社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和的“主力軍”。到2022年11月，中國(guó)風(fēng)電不僅在累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量上達(dá)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(jī)組的研發(fā)與制造上取得重大突破，金風(fēng)科技GWH252-16MW、中國(guó)海裝H260-18MW、明陽(yáng)智能MySE18.X-28X和MySE16.X-260等單機(jī)容量達(dá)16~18MW的大型海上風(fēng)電機(jī)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(wú)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(duì)《風(fēng)能》談道。

看得見的未來

是什么推動(dòng)中國(guó)風(fēng)電技術(shù)迎頭趕上了國(guó)際同行呢?這與發(fā)展規(guī)劃、電價(jià)政策、技術(shù)進(jìn)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(guó)風(fēng)電創(chuàng)造了看得見、摸得著的未來。

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

結(jié)合上述目標(biāo)，國(guó)家進(jìn)一步明確到2030年風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上，對(duì)風(fēng)電發(fā)展提出了新任務(wù)、新要求。

為落實(shí)國(guó)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(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)(CWP 2020)上發(fā)布的《風(fēng)能北京宣言》中提到，為達(dá)到與碳中和目標(biāo)實(shí)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(guó)家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間:保證年均新增裝機(jī)5000萬(wàn)千瓦以上。更遠(yuǎn)期，2025年后，中國(guó)風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6000萬(wàn)千瓦，到2030年總裝機(jī)容量至少達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦。

不久前發(fā)布的《2022全球海上風(fēng)電大會(huì)倡議》提出:綜合當(dāng)前發(fā)展條件以及我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的要求，到“十四五”末，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量需達(dá)到1億千瓦以上，到2030年累計(jì)達(dá)2億千瓦以上，到2050年累計(jì)不少于10億千瓦。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在積極且穩(wěn)定的頂層設(shè)計(jì)和“1+N”政策的持續(xù)引導(dǎo)下，僅各地出臺(tái)的海上風(fēng)電規(guī)劃總?cè)萘烤鸵殉^8000萬(wàn)千瓦。

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

“值得強(qiáng)調(diào)的是，可再生能源是本國(guó)可以掌控的、不受國(guó)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(guó)家能源咨詢專家委員會(huì)副主任、中國(guó)工程院院士杜祥琬曾撰文表示。

作為推進(jìn)碳減排與確保能源安全的重要舉措，我國(guó)風(fēng)電躍升發(fā)展實(shí)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(dòng)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的澎湃動(dòng)力。

滿足市場(chǎng)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(chǎng)空間。同時(shí)，風(fēng)電平價(jià)與競(jìng)價(jià)政策的落地，又對(duì)開發(fā)收益產(chǎn)生較大影響。

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

“一方面是大規(guī)模發(fā)展，一方面是市場(chǎng)化的電價(jià)對(duì)項(xiàng)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(xì)。”風(fēng)電開發(fā)技術(shù)專家張輝認(rèn)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。”

風(fēng)電項(xiàng)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(jìn)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(xiàng)目規(guī)模設(shè)置得足夠大，以攤薄項(xiàng)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(jī)組單機(jī)容量，降低機(jī)組的單位千瓦造價(jià)。

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

中國(guó)海裝研究院機(jī)械設(shè)計(jì)所所長(zhǎng)、H260-18MW產(chǎn)品負(fù)責(zé)人楊微，以中國(guó)海裝H260-18MW為例解釋機(jī)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(shí)，更大功率提升發(fā)電量的同時(shí)，可以有效節(jié)約用海面積、降低機(jī)位點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)而降低海上風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)與運(yùn)維成本。”

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

以100萬(wàn)千瓦的海上項(xiàng)目測(cè)算，相比10MW機(jī)型，18MW機(jī)組所需機(jī)位點(diǎn)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(shí)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(jī)組幾乎比陸上機(jī)型大一倍，這正是由海上風(fēng)電工程成本高、施工與運(yùn)輸條件所決定的。據(jù)《風(fēng)能》統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)下線的海上機(jī)組最大單機(jī)容量提高了7MW之多，這幾乎是一臺(tái)陸上新型機(jī)組的單機(jī)容量。

據(jù)了解，我國(guó)海上機(jī)型共經(jīng)歷了三代發(fā)展。第一代產(chǎn)品是通過整機(jī)引進(jìn)或在歐洲知名設(shè)計(jì)公司的指導(dǎo)下，結(jié)合我國(guó)海上復(fù)雜環(huán)境研發(fā)出來的，風(fēng)輪直徑小于150m，單機(jī)容量小于5MW。第二代產(chǎn)品開始自主研發(fā)，單機(jī)容量不超過8MW，風(fēng)輪直徑小于200m，是“搶裝”時(shí)期的主力機(jī)型。第三代產(chǎn)品是以平價(jià)為特征的8.5~16MW機(jī)型，風(fēng)輪直徑達(dá)到200~260m，一些產(chǎn)品具有較強(qiáng)的抗臺(tái)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(jī)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(jī)組的大型化，不是簡(jiǎn)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(jī)型開發(fā)就不具備可行性與經(jīng)濟(jì)性。”楊微對(duì)這一點(diǎn)頗有感觸。

因此，越來越多的整機(jī)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(jī)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(shí)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。”張輝解釋。

當(dāng)然，除了技術(shù)路線外，我國(guó)風(fēng)電整機(jī)技術(shù)還有諸多方面實(shí)現(xiàn)了突破。例如，深遠(yuǎn)海大功率風(fēng)電機(jī)組整機(jī)支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，整機(jī)平臺(tái)化設(shè)計(jì)技術(shù)，智能控制技術(shù)，大功率整機(jī)與超長(zhǎng)葉片仿真測(cè)試驗(yàn)證能力等。

以深遠(yuǎn)海大功率風(fēng)電機(jī)組整機(jī)支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)為例，通過對(duì)風(fēng)、浪、海床等外部條件以及主機(jī)、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(shí)現(xiàn)葉片、機(jī)艙結(jié)構(gòu)件、塔筒與基礎(chǔ)等的輕量化設(shè)計(jì)。“在此過程中，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。”楊微談道。

越來越大的風(fēng)電機(jī)組不僅考驗(yàn)整機(jī)研發(fā)人員的能力，也同樣考驗(yàn)著我國(guó)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(guó)海裝首臺(tái)H260-18MW機(jī)組計(jì)劃安裝的浙江蒼南項(xiàng)目，離岸50km以上，水深30m左右，是全球最極端的臺(tái)風(fēng)頻發(fā)海域。且該項(xiàng)目海底有比較深的淤泥，施工挑戰(zhàn)大，具有典型的深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)特征。

“受制于海上機(jī)組吊裝對(duì)吊高和樁腿長(zhǎng)度的技術(shù)要求，目前國(guó)內(nèi)滿足18MW機(jī)型安裝要求的安裝平臺(tái)有1艘，但2023年將有3艘新一代自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)服役，未來5年預(yù)計(jì)將有10~20艘具備該級(jí)別海上機(jī)組吊裝能力的風(fēng)電安裝平臺(tái)。”楊微稱。

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(jī)型實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步大型化的難點(diǎn)，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(guó)在風(fēng)電關(guān)鍵零部件方面的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。

“雙饋發(fā)電機(jī)的大型化難點(diǎn)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(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度及滑環(huán)可靠性要求很高;直驅(qū)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、體積大、重量重，大功率化后裝配、浸漆、吊運(yùn)等都難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)設(shè)備及工裝的要求極高，而且受永磁材料成本影響，單機(jī)成本也非常高。”楊微談道:“超大型中速永磁發(fā)電機(jī)，巧妙地避開了雙饋與直驅(qū)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和制造痛點(diǎn)。”

中國(guó)海裝提供的數(shù)據(jù)顯示，該公司為匹配H260-18MW機(jī)型下線的19MW中速永磁發(fā)電機(jī)外徑3.4m，重量?jī)H為33t，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)都比1.5MW的直驅(qū)發(fā)電機(jī)小。

然而，這并不代表企業(yè)在研發(fā)中速永磁發(fā)電機(jī)過程中，沒有提升技術(shù)水平。事實(shí)上，為了使中速永磁發(fā)電機(jī)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(jī)型為例，其功率密度高達(dá)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(dòng)鏈齒輪箱扭矩密度目前能達(dá)到140Nm/kg，如果不通過技術(shù)創(chuàng)新提升其扭矩密度，18MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組僅齒輪箱重量將達(dá)到約160t。

“在由發(fā)電機(jī)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。”在進(jìn)一步談及中速傳動(dòng)機(jī)組的大型化發(fā)展時(shí)，張輝認(rèn)為多行星級(jí)、多行星輪及傳動(dòng)鏈高度集成化，是提升傳動(dòng)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。”

據(jù)楊微介紹，中國(guó)海裝H260-18MW機(jī)型正是通過采用多行星級(jí)、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(jìn)水平。

相比發(fā)電機(jī)與齒輪箱而言，葉片更可能成為機(jī)組大型化的卡點(diǎn)。為突破葉片長(zhǎng)度極限，中國(guó)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(dòng)設(shè)計(jì)。仍以中國(guó)海裝H260-18MW機(jī)型為例:在設(shè)計(jì)上，嘗試了適用于復(fù)雜環(huán)境的高雷諾數(shù)風(fēng)電機(jī)組葉片翼型氣動(dòng)設(shè)計(jì)、超長(zhǎng)柔性葉片氣動(dòng)―結(jié)構(gòu)―載荷一體化設(shè)計(jì)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(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維拉擠板整體成型、自動(dòng)化鋪層與葉根及尾緣梁預(yù)制成型、超長(zhǎng)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(wú)損檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，確保葉片從設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)、檢測(cè)到運(yùn)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(guó)海裝對(duì)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(jī)型。風(fēng)電機(jī)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(jī)容量持續(xù)增大后，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子體積重量增大，集成式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)重量由齒輪箱承重，功率增大帶來軸向和徑向方向變長(zhǎng)變大，轉(zhuǎn)子撓度不足影響氣隙，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)效率和發(fā)電性能。”楊微推測(cè):“結(jié)合目前新技術(shù)新材料的研發(fā)進(jìn)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(jī)組瓶頸在30MW級(jí)左右。”

相比發(fā)電機(jī)來說，葉片的提升更難。這是因?yàn)槿~片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)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(yùn)輸和吊裝難度。楊微認(rèn)為，葉片長(zhǎng)度的發(fā)展會(huì)更快達(dá)到瓶頸期，預(yù)計(jì)將有一段時(shí)間停滯在130m級(jí)，直至在材料或工藝上取得新的突破。

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

另一個(gè)顯著的例子，是我國(guó)對(duì)海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)的探索，正小步快跑地進(jìn)行。在這個(gè)領(lǐng)域，可借鑒的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)也并不豐富。與固定式風(fēng)電有所不同，漂浮式風(fēng)電機(jī)組必須搭載更先進(jìn)的控制技術(shù)，掌握浮體運(yùn)動(dòng)控制策略，使機(jī)組能適應(yīng)風(fēng)、浪、流等復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境。

為了抓住這把解鎖深遠(yuǎn)海風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)的“鑰匙”，中國(guó)已經(jīng)有3家整機(jī)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(jī)型。其中，有2款機(jī)型已經(jīng)在廣東海域安裝與并網(wǎng)，1款機(jī)型計(jì)劃2023年在設(shè)計(jì)水深200m、離岸距離10km的挪威海域投運(yùn)。

最新的海上風(fēng)電機(jī)型被國(guó)外市場(chǎng)認(rèn)可，率先在海外投運(yùn)，這是前所未有的。中國(guó)風(fēng)能人付諸多年心血推動(dòng)的“兩海”戰(zhàn)略正在形成合圍之勢(shì)，或許將創(chuàng)造風(fēng)電歷史的另一個(gè)里程碑。