核心摘要：15年-葉輪直徑從70m到超過250m：大風機時代如何應對大功率下的大葉輪？
2022年7月，安徽陸上風電主機首次出現4家企業風機機型葉輪直徑超過200m，平均單機功率超過6MW，標志著大葉輪直徑、大功率單機容量的大風機時代已經來臨。同樣，2022年的海上風電隨著東方電氣和上海電氣10MW以上機型的下線，220m以上葉輪直徑的海上單機大功率風機成為現實，如何在新的大風機技術潮流下贏得市場機會和提升產品競爭力，將會迎來一輪新的技術革新大潮。
7月，中國協合某風電場招標，這是一個低風速類似平原的風電場，要求塔筒高度160m，7家國內主機廠參與了投標，開標結果首次4家主機廠投標葉輪直徑超過200m，此前，在6月份有個別項目個別主機企業開始投標200m葉輪直徑的風機型號，但從這次的開標結果看，200m葉輪直徑的風機已經開始成為低風速區域風電場的主流。
這里我們可以簡單的為大家科普一下：200m葉輪直徑大小的概念，其掃風面積超過32000平方米，相當于4.5個標準足球場（國際足聯規定的標準足球場場地大小為105米*68米，面積為7140平方米），其最大直徑可以擺放3架boeing 747-100寬體客機（波音747-100型飛機：尺寸數據：翼展59.64米，機長70.66米）
2007年，國內企業引進了第一批德國技術的風機，基本都是1.5MW機型，葉輪直徑為70m，而目前最大功率的陸上風電機組6MW，葉輪直徑200m，功率增加4倍，葉輪直徑增加近3倍。
看完陸上風機的葉輪直徑，我們再看海上風機的葉輪直徑：
- 明陽智能：2021年，明陽智能宣布其16MW海上風機進入試制，其16MW機型MySE16.0-242葉輪直徑242米，葉片長118米，掃風面積可達46000平方米，相當于6個足球場大小
- 金風科技：2021年風能展，推出了GWH242-12MW機型，將采用中速永磁技術，葉輪直徑242m，明確指出，采用全新一代中速永磁技術，也就是齒輪箱技術路線。
- 中國海裝：2021年，風能展上，中國海裝推出了16MW海上新機型：H256-16MW，這是目前國內在研最大功率，最大葉輪直徑的海上風機。采用第三代半直驅路線，顯然高功率密度傳動鏈技術助力不小。
國內雖然功率彎道超車，顯然略顯激進，海外三巨頭雖然起得早，但是走得穩，步步為營。- 維斯塔斯：2020年已經推出了V236-15.0MW，即將進入商業運行。
- GE：2021年，GE推出 Haliade X 14MW-220，目前已經完成樣機。
2009年，中國第一個真正意義上的海上風電場，上海東大橋風電場的風機采用了華銳風電的第一款真正3MW海上風機，其葉輪直徑92m，到今天的16MW，葉輪直徑256m，功率增加5倍多，葉輪直徑近3倍。單純我們看風機葉輪直徑在朝著大的方向發展，其實這是風機技術的發展的必然，這里我們要關注到一個新的參數：單位功率的能量密度，單位千瓦掃風面積，也就是說，同樣的風吹過來，有多少風能能被風機捕獲，我們可以簡單回顧一下單位千瓦掃風面積的發展之路。
2007年，市場主流的第一批1.5MW風機葉輪直徑為70m，包括當時的金風科技，華銳風電，東方電氣以及聯合動力等當期頭部企業，其單位掃風面積僅有2.54m2/kw；2008年到2009年，1.5MW的主流風機葉輪直徑最大93m，單位千瓦掃風面積提升到了4.52m2/kw。2MW時代最主流也是最大葉輪直徑的機型為116m，單位千瓦掃風面積達到了5.28m2/kw，此后一直保持穩定，3.x平臺下，3.6-168機型葉輪直徑達到了6.18m2/kw。2022年，4MW時代迎來了金風科技最大的葉輪直徑風機，其數據已經提升到了7.16m2/kw。從2007年到2022年15年時間，單位千瓦掃風面積提升了近3倍，在葉輪直徑增大的同時，機型的能量捕獲能力大幅提升是風機性價比提升的關鍵。而這關鍵的貢獻者就是葉片。
風機葉片是集空氣動力學、材料學、結構力學一體的關鍵部件，看似簡單的葉片部件，在過去的15年發展歷程中，中國風電人從一個引進者到一個學習者，再到一個創新者，實現了風電葉片的自我創新，包括原材料的國產化，關鍵芯材的替代，葉片主梁工藝創新，葉片設計能力的自主研發。并因為中國風電的蓬勃發展，一舉成為世界葉片大國和強國，無論是設計能力，制造能力還是創新能力，都是全球領先。
當然，創新就會面臨著風險，創新速度過快就會埋下技術隱患，風電的設計風險依舊存在，在過去的幾年中，葉片的設計也有個別企業在市場的競爭中被淘汰，一方面是技術本身的競爭力下降，一方面是質量管控埋下的隱患，所以說創新既要大膽，還要嚴謹，在可靠的前提下實現高速發展。風機的單機功率越來越大是技術發展的必然潮流，而提升風機的風能捕獲能力就成為了重中之重，如何在大功率風機的發展潮流下，進一步提升風機的風能捕獲能力，將是新一代大功率風機的新挑戰。
過去15年，風機的葉輪直徑翻三倍，捕風能力也接近3倍，如何把捕獲風能的增加值有效轉化為電能，這是近幾年風電裝備產業的創新目標。中國海裝提出了高功率密度的傳動鏈技術，金風科技提出的新一代中速永磁技術路線，當下流行的獨立變槳技術，滑動偏航技術，還有雙發電機技術（三一曾經早期開展過，后期放棄，當下這種技術又有新的發展），這些林林總總都在為風機的捕風能力和增效能力提升發揮作用。
從風能的轉化效率天花板看來，實際的風能轉化效率目前僅為理論轉化效率的75%左右（0.593的轉化效率-Cp值，實際在0.45），如果能提升5個百分點，同樣的風機發電能力提升5-10%（到85%），在不增加原材料和不增加部件的情況下，這將是風機設計領域的一次重大革新。當然，這里面涉及到發電機的效率，傳動鏈的效率，變流器的效率，葉片的實際捕風能力提升。個人認為海陸風機的單純大型化目前階段已經到了一個拐點，行業有必要在當前海陸風機大型化的現有目標參數形勢下，進一步降低成本，提升風機能效，這一點需要學光伏，組件的效率提升一直持續，當然風機的效率提升難度大，風機葉片在空中的能力捕獲變化因素太多，同時塔筒的形式和高度也對風機發電能力產生較大影響，在平價時代，需要對風電整機從基礎到塔筒，到風機整機大部件及系統控制各個環節進行挖潛設計優化和創新，降載，減重，增效，進一步提升大功率風機的大優勢。
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