中国风电 穿越技术无人区！

不久前，中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)秘书长秦海岩在朋友圈里晒了一封信，是著名科学家钱学森于1990年写给中国风能技术开发中心贺德馨的。钱学森在信中嘱咐:“风力发电今后不能停留在小打小闹，要大干，从你们自己提高认识开步!面向21世纪的社会主义中国。”

30多年后，中国风电已经发展成为构建新型电力系统的主力能源，是支持电力系统率先脱碳，进而推动能源系统和全社会实现碳中和的“主力军”。到2022年11月，中国风电不仅在累计并网装机容量上达到了3.5亿千瓦，连续十余年稳居世界首位，还在风电机组的研发与制造上取得重大突破，金风科技GWH252-16MW、中国海装H260-18MW、明阳智能MySE18.X-28X和MySE16.X-260等单机容量达16~18MW的大型海上风电机组接连下线与发布。

看似朝夕间的质变，却是几代人的拼搏成果。当多方有利因素通过一代代风能人的手聚沙成塔，所迸发的力量锐不可当。

“我们正在迈入风电技术的‘无人区’，未来充满挑战，却创造更多可能。”一位专注于解决未来风电技术难题的专家对《风能》谈道。

看得见的未来

是什么推动中国风电技术迎头赶上了国际同行呢?这与发展规划、电价政策、技术进步、产业配套等多方面的有力支撑息息相关。其中，最关键的是发展规划为中国风电创造了看得见、摸得着的未来。

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。

结合上述目标，国家进一步明确到2030年风电和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上，对风电发展提出了新任务、新要求。

为落实国家大政方针，风电行业通过科学推算、自发组织，先后两次发布含有明确发展目标的宣言与倡议。

在2020北京国际风能大会暨展览会(CWP 2020)上发布的《风能北京宣言》中提到，为达到与碳中和目标实现起步衔接的目的，在“十四五”规划中，须为风电设定与碳中和国家战略相适应的发展空间:保证年均新增装机5000万千瓦以上。更远期，2025年后，中国风电年均新增装机容量应不低于6000万千瓦，到2030年总装机容量至少达到8亿千瓦，到2060年至少达到30亿千瓦。

不久前发布的《2022全球海上风电大会倡议》提出:综合当前发展条件以及我国实现碳达峰、碳中和目标的要求，到“十四五”末，我国海上风电累计装机容量需达到1亿千瓦以上，到2030年累计达2亿千瓦以上，到2050年累计不少于10亿千瓦。

据不完全统计，在积极且稳定的顶层设计和“1+N”政策的持续引导下，仅各地出台的海上风电规划总容量就已超过8000万千瓦。

2022年，欧洲能源供应问题警醒各国，能源安全成为焦点。就此，风电已不仅仅因其绿色与市场价值在能源体系中发挥作用，更将成为确保国家能源安全的关键组成部分。

“值得强调的是，可再生能源是本国可以掌控的、不受国际地缘政治变化影响的能源。随着非化石能源比例的增大，它在能源供给安全中将起到举足轻重的作用。”国家能源咨询专家委员会副主任、中国工程院院士杜祥琬曾撰文表示。

作为推进碳减排与确保能源安全的重要举措，我国风电跃升发展实属必然。在如此有利的客观环境下，风电技术领域不仅得到政策的大力支持，各类资源与资金也正在此汇集，形成推动风电技术发展的澎湃动力。

满足市场化需要

积极的政策引导与可观的发展预期，创造了巨大市场空间。同时，风电平价与竞价政策的落地，又对开发收益产生较大影响。

2019年5月21日，国家发展改革委印发《关于完善风电上网电价政策的通知》(发改价格〔2019〕882号)明确规定，2018年年底之前核准的陆上风电项目，2020年年底前仍未完成并网的，国家不再补贴;2019年1月1日至2020年年底前核准的陆上风电项目，2021年年底前仍未完成并网的，国家不再补贴。自2021年1月1日开始，新核准的陆上风电项目全面实现平价上网，国家不再补贴。将海上风电标杆上网电价改为指导价，新核准海上风电项目全部通过竞争方式确定上网电价。对2018年年底前已核准的海上风电项目，如在2021年年底前全部机组完成并网的，执行核准时的上网电价;2022年及以后全部机组完成并网的，执行并网年份的指导价。

“一方面是大规模发展，一方面是市场化的电价对项目的收益预期产生影响，这要求开发企业更胆大心细。”风电开发技术专家张辉认为:“为做到规模与收益的两者兼顾，在开发模式和风电技术上发力是最佳途径。”

风电项目开发降本的途径有很多，包括规模降本、管理降本、工程降本、技术降本等。在开发模式上进行创新，主要是有利于规模与管理降本。行业专家一直建议地方政府将项目规模设置得足够大，以摊薄项目开发乃至区域产业发展的整体成本。而在风电技术方面，目前最行之有效且普遍采用的方式，是通过提高机组单机容量，降低机组的单位千瓦造价。

“从风电机组研发的本身而言，近些年降低风电项目开发度电成本的主流技术途径，是在确保机组发电能力前提下的大型化。”张辉认为。

中国海装研究院机械设计所所长、H260-18MW产品负责人杨微，以中国海装H260-18MW为例解释机组大型化满足风电开发降本的逻辑:“它具有全球最大风轮直径，在相同条件下能够吸收更多风能、发更多的电;同时，更大功率提升发电量的同时，可以有效节约用海面积、降低机位点数量，进而降低海上风电场工程建设与运维成本。”

因此，机组大型化带动的不仅仅是技术降本，更重要的是对工程降本有利。这在机组设备成本占比较低的海上风电市场中，表现得尤为明显。

以100万千瓦的海上项目测算，相比10MW机型，18MW机组所需机位点更少，工程施工成本更低，工程单位千瓦总投资成本可降低20%以上，施工时间窗口可减少30%以上。

致力于做得更大

说到大，主流的海上风电机组几乎比陆上机型大一倍，这正是由海上风电工程成本高、施工与运输条件所决定的。据《风能》统计，2022年我国下线的海上机组最大单机容量提高了7MW之多，这几乎是一台陆上新型机组的单机容量。

据了解，我国海上机型共经历了三代发展。第一代产品是通过整机引进或在欧洲知名设计公司的指导下，结合我国海上复杂环境研发出来的，风轮直径小于150m，单机容量小于5MW。第二代产品开始自主研发，单机容量不超过8MW，风轮直径小于200m，是“抢装”时期的主力机型。第三代产品是以平价为特征的8.5~16MW机型，风轮直径达到200~260m，一些产品具有较强的抗台风能力。

在新产品的研发过程中，为保证发电能力，单机容量越大风轮直径也需要相应地增大。各部件重量与载荷的增加，使技术难度大幅提升，研发人员必须突破更多瓶颈。

“机组的大型化，不是简单的延伸和放大。随着功率、载荷的增大，零部件的尺寸和重量将急剧增加，如果不通过基础技术创新拓展大型化边界，超大容量机型开发就不具备可行性与经济性。”杨微对这一点颇有感触。

因此，越来越多的整机企业将目光转移到中速永磁(也称半直驱、混合)技术路线上。在2022年，新下线的海上风电机型共12款，其中有10款采用了该技术路线。

“中速永磁技术实现了重量、可靠性、成本等多方面的平衡，从而可以做到更大。”张辉解释。

当然，除了技术路线外，我国风电整机技术还有诸多方面实现了突破。例如，深远海大功率风电机组整机支撑结构一体化设计技术，整机平台化设计技术，智能控制技术，大功率整机与超长叶片仿真测试验证能力等。

以深远海大功率风电机组整机支撑结构一体化设计技术为例，通过对风、浪、海床等外部条件以及主机、塔筒、基础等结构的一体化建模，并在高速迭代能力支持下，可实现叶片、机舱结构件、塔筒与基础等的轻量化设计。“在此过程中，全耦合的一体化建模，以及一体化全耦合模型的求解解耦是具有相当难度的，我们必须迎难而上。”杨微谈道。

越来越大的风电机组不仅考验整机研发人员的能力，也同样考验着我国风电工程技术水平。值得庆幸的是，“基建狂魔”深谙此道。

据了解，中国海装首台H260-18MW机组计划安装的浙江苍南项目，离岸50km以上，水深30m左右，是全球最极端的台风频发海域。且该项目海底有比较深的淤泥，施工挑战大，具有典型的深远海风电场开发特征。

“受制于海上机组吊装对吊高和桩腿长度的技术要求，目前国内满足18MW机型安装要求的安装平台有1艘，但2023年将有3艘新一代自升式风电安装平台服役，未来5年预计将有10~20艘具备该级别海上机组吊装能力的风电安装平台。”杨微称。

关键部件发力

在一定程度上，采用中速永磁技术路线，避开了一些其他技术路线机型实现进一步大型化的难点，尤其是给一些关键零部件的大型化创造了有利条件，也更易发挥出我国在风电关键零部件方面的产业优势。

“双馈发电机的大型化难点在于转速高引起的转子线圈及转子组件的结构可靠性，对转子的动平衡精度及滑环可靠性要求很高;直驱发电机转速低、体积大、重量重，大功率化后装配、浸漆、吊运等都难以实现，对设备及工装的要求极高，而且受永磁材料成本影响，单机成本也非常高。”杨微谈道:“超大型中速永磁发电机，巧妙地避开了双馈与直驱的设计难点和制造痛点。”

中国海装提供的数据显示，该公司为匹配H260-18MW机型下线的19MW中速永磁发电机外径3.4m，重量仅为33t，两项数据都比1.5MW的直驱发电机小。

然而，这并不代表企业在研发中速永磁发电机过程中，没有提升技术水平。事实上，为了使中速永磁发电机更紧凑，研发人员正在不断提升其功率与转矩密度。以H260-18MW机型为例，其功率密度高达350W/kg，转矩密度不低于12kNm/t。

齿轮箱也是同样的道理。据介绍，高速传动链齿轮箱扭矩密度目前能达到140Nm/kg，如果不通过技术创新提升其扭矩密度，18MW级风电机组仅齿轮箱重量将达到约160t。

“在由发电机与齿轮箱所组成的发电单元中，齿轮箱的重量占到三分之二，优化它的意义更大。”在进一步谈及中速传动机组的大型化发展时，张辉认为多行星级、多行星轮及传动链高度集成化，是提升传动系统扭矩密度的关键:“齿轮箱行星轮数量越多，能够分担的总功率就越大，在同样功率下齿轮箱重量就越轻。”

据杨微介绍，中国海装H260-18MW机型正是通过采用多行星级、多行星轮技术，将齿轮箱扭矩密度提升到210Nm/kg，这可视为全球先进水平。

相比发电机与齿轮箱而言，叶片更可能成为机组大型化的卡点。为突破叶片长度极限，中国叶片厂商不断革新生产工艺，尝试高性能材料，优化气动设计。仍以中国海装H260-18MW机型为例:在设计上，尝试了适用于复杂环境的高雷诺数风电机组叶片翼型气动设计、超长柔性叶片气动―结构―载荷一体化设计等技术;在材料上，其选用了高模玻纤、碳纤维、聚氨酯等;在生产工艺上，采用国产大丝束碳纤维拉挤板整体成型、自动化铺层与叶根及尾缘梁预制成型、超长叶片壳体一体灌注成型、多腹板组装及合模智能装配、相控阵无损检测等先进技术，确保叶片从设计、材料、生产、检测到运行全生命周期的可靠性与稳定性。

新赛道开启

不久前，中国海装对外宣布，将继续研制300m以上风轮直径、25MW以上输出功率的机型。风电机组到底能做到多大，在一定程度上取决于各关键零部件，而在目前技术条件下，后者的大型化技术边际不尽相同。

“单机容量持续增大后，发电机定转子体积重量增大，集成式结构发电机重量由齿轮箱承重，功率增大带来轴向和径向方向变长变大，转子挠度不足影响气隙，进而影响发电机效率和发电性能。”杨微推测:“结合目前新技术新材料的研发进度、行业供应链成熟度、设备加工制造能力等因素，初步预估现有的常规水平轴风电机组瓶颈在30MW级左右。”

相比发电机来说，叶片的提升更难。这是因为叶片长度的增长不仅取决于技术，同样还要求生产厂房不断改建，投入更多配套生产工装，也受制于运输和吊装难度。杨微认为，叶片长度的发展会更快达到瓶颈期，预计将有一段时间停滞在130m级，直至在材料或工艺上取得新的突破。

当中国风电技术进入国际先进行列，就意味着在未来发展进步过程中，要越来越多地依赖自身能力的提升。

另一个显著的例子，是我国对海上漂浮式风电技术的探索，正小步快跑地进行。在这个领域，可借鉴的国际经验也并不丰富。与固定式风电有所不同，漂浮式风电机组必须搭载更先进的控制技术，掌握浮体运动控制策略，使机组能适应风、浪、流等复杂运行环境。

为了抓住这把解锁深远海风电规模化开发的“钥匙”，中国已经有3家整机商与开发企业、工程技术单位展开深度合作，下线了4款漂浮式风电机型。其中，有2款机型已经在广东海域安装与并网，1款机型计划2023年在设计水深200m、离岸距离10km的挪威海域投运。

最新的海上风电机型被国外市场认可，率先在海外投运，这是前所未有的。中国风能人付诸多年心血推动的“两海”战略正在形成合围之势，或许将创造风电历史的另一个里程碑。(文中受访人张辉为化名)

（《风能》作者：赵靓）

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