風電技術發展創新的熱點在哪里？原HGFR海南省綠色金融研究院收錄話題#風代2個內容#新能源1個內容#環保2個內容

文丨孫麗萍

風電作為一種新能源，其創新不僅在于其使用的資源是新型能源，而且風電的發展更多地依靠技術創新帶動發展，而不是依靠能源賦能。在化石能源時代，自然而然。資源。無論是化石能源還是新能源，能源都是經濟社會發展的基礎，為社會提供廉價能源是擴大發展規模、提升能源系統地位的基礎。降低化石能源成本的主要途徑是依靠大自然賦予的豐富資源，快速搶奪化石能源資源來降低成本，而化石能源的技術依賴于技術創新。降低成本主要依靠創新驅動風力發電。風電在今天取得了舉世矚目的成就，成為許多國家的重要電力來源，是風電產業不斷技術創新的體現。展望未來，風電將在全球和中國電力能源中占據重要地位。權威機構預測，未來約三分之一的碳將由風電提供。目前，風電已經從依靠補貼的發展階段進入平價時代。在沒有政府補貼的情況下，風電產業的發展需要依靠技術創新來實現技術進步。企業之間的競爭表現在創新能力的不斷競爭上。持續創新是實現風電高比例化的必然要求，因此哪些技術創新熱點值得關注，需要深入研究。

一、 風電發展歷程及技術創新

風能的利用歷史悠久，應用范圍廣泛。早期的風能利用裝置受技術限制，主要以純供電為主。早在公元前幾個世紀，人們就利用風提水、灌溉、磨面、搗米。埃及尼羅河上的帆船和中國的木制帆船都有兩三千年的歷史。可見二手吊車，帆船已被廣泛用于河流航行。由于風力發電的技術創新較少，類似的應用持續了很長時間，而且當時的風能利用設備體積較小。

隨著空氣動力學的發展，風能的利用效率較傳統的應用方式有了很大的提高。風力渦輪機的應用已經從提供旋轉動力的傳統設備發展到用于發電的設備，甚至建造了風電場。

1888年，Charles Brush建造了第一臺直徑17米、144片雪松木葉片、12千瓦功率的大型風力發電機。在發明了風力渦輪機的巨大革命性創新之后，風能的利用從此開辟了新的應用場景。當時，相關公司獲得了大量的業務量，就是將原來的風車改造成了風力發電機。新技術的發展為當時的風電公司創造了新的業務增長點。但當時的風機葉輪相當復雜，葉片數高達144片，而現在的葉片數只有2-3片。從風力渦輪機發電到二戰時期，風力發電的發展相對緩慢。

二戰期間，丹麥風電公司發明了2-3片葉片的風力發電機，大大提高了發電效率。這也是常用的風電葉片模式。從二戰到1970年代后期中東石油危機，風電主要是通過離網發電解決美國、歐洲等國家電力短缺的問題，風電產業發展十分迅猛。減緩。

隨著風力發電技術的進步，風力發電機組的功率不斷增加，主要應用場景逐漸從離網擴展到并網。進入20世紀，70年代中東石油危機劃定風電發展階段。1970年代以前，風電的發展主要以離網發電為主。離網風電主要解決美國、歐洲等偏遠無電地區的供電問題。

1970年代至今，風電現代化發展階段呈現出單機規模顯著增加、商業化迅速、競爭力顯著增強、離網向并網過渡. 風電行業呈現出這些新特征，主要得益于全球對能源安全的關注度提高、環保意識的增強以及風電自身經濟競爭力的提升。末期中東石油危機引起了全球對能源安全的高度關注，能源革命受到高度重視，發達國家普遍開始研究和推動可再生能源的發展。這一階段風電發展迅速。從過去，離網發電主要用于并網應用。這種跨越式發展的實現，主要得益于1980年至1981年發展起來的55kW風力發電機的出現。隨著這種風力發電機的誕生，風力發電的每千瓦時成本下降了50%左右。

進入80年代后，風電進入蓬勃發展和現代化階段，風電技術取得長足進步。到2020年，風電成為許多地區發電成本最低的電源，為風電規模化發展奠定基礎；風電已成為許多國家電力系統中的重要電源小型風力發電機葉片設計與制造的研究，在丹麥等許多歐洲國家的發電量中占有重要地位。比例超過10%。

二、 大型風機核心技術要求進一步升級

發展風電，首先要了解和認識風能資源的特點。風能實際上是太陽能資源的另一種形式，主要是由于太陽對地球大氣層接收到的太陽輻射不同、地球表面的不規則形狀以及地球的自轉造成的。風能資源評估是風電開發、選址和風電場運營的關鍵環節。我國不同地區的風速變化特征明顯不同，如過水、植被或地形等。目前，隨著風電的發展，已逐步從以陸上集中式風電為主向海上風電與分散式發電協同推進的發展模式轉變。

推動風力發電成本降低主要從提高風力發電額定功率、增加風輪轂高度和擴大風電葉片直徑三個方面著手。技術創新的方向主要圍繞這三個方面展開。

(1）單機功率

主要是由于風電機組單機容量的增加，可以減少風電場安裝的風電機組數量。在給定功率下，更少的運動部件有助于提高系統的運行可靠性，并降低輔助系統（如機械、電子、控制、電纜和塔架）的平均成本。，這有助于降低系統成本。

(2）輪轂高度

由于風能的分布特性在垂直方向受地面植被影響顯著，低高度氣流場變化的擾動更為復雜。增加輪轂的高度可以使用更高質量的風能和更高的風速。穩定性也有利于風機穩定可靠的運行，如下圖所示。

圖1 風機輪轂高度變化

(3）葉

隨著風力發電機功率的增加和風力發電機葉片長度的不斷增加，未來風力發電機葉片將需要滿足新的需求。如果將以往的葉片材料和葉片設計直接應用于更長的葉片，肯定無法適應風扇的運行。一方面小型風力發電機葉片設計與制造的研究，如果剛度不夠，葉片可能會與塔架發生碰撞。另一方面，葉片太重，柔韌性差，難以適應多變的風速環境。葉片過重導致成本顯著增加。未來，隨著葉片創新需要滿足新的要求，需要足夠的剛性避免撞塔，需要靈活性以不斷適應不斷變化的風況，

三、下一階段風電發展對關鍵部件技術創新提出更高要求

齒輪箱是風??力發電機的關鍵部件之一，其核心部件是軸承。軸承是對風機可靠性影響最大的部件，在我國屬于風電領域的卡頸技術。長期以來，我國在風電零部件領域主要依賴國外進口，主要是軸承。隨著風電行業平價時代的到來和海上風電的快速發展，大型風電機組的趨勢進一步加速。但是，適應規模化發展對關鍵零部件提出了更高的要求。隨著全球風電行業的不斷發展吊車，行業平均單機功率逐漸增加，大功率風電機組整體占比也穩步提升。風電軸承的尺寸隨著風電裝機容量的增加而增大，其加工難度也成倍增加。

(1）當前狀態

風電機組長期處于野外，運行環境惡劣，對軸承的性能要求很高。同時要求軸承20年免維護。據中國軸承協會在高端軸承技術路線圖中介紹，目前風電主軸軸承主要被SKF、舍弗勒、鐵姆肯、Rotheyede等國外公司壟斷。

中國風電軸承市場份額相對較小。從產品種類來看，我國生產的軸承多為中小型軸承，中大型軸承產量占比較小，不足13%。但中大型軸承單套價格較高。目前國內部分軸承廠家可以生產，但主要集中在2MW及以下風電軸承。3MW及以上風電軸承，由于技術難度高，國內生產還處于起步階段。國內企業風電軸承出貨量主要集中在門檻較低的偏航和變槳軸承。

(2） 挑戰

從國際形勢看，發達國家實施“再工業化”和“制造業回歸”戰略，力圖搶占高端市場，不斷擴大競爭優勢，而新興經濟體則依靠資源等比較優勢。大力發展加工制造業。隨著我國同質化競爭的形成，軸承行業自然面臨著追趕前后的雙重擠壓。

從國內環境看，能源、資源、勞動力等生產要素成本快速上升，生態環境更加緊張。這些因素對風電設備相關企業的經營產生了嚴重的負面影響。

從行業來看，我國軸承行業的研發能力相對薄弱，高端軸承國產化還沒有取得突破。軸承企業基礎研發積累不足，行業重復建設、過度競爭依然嚴重。未來如何提升高端軸承等高端制造業的競爭力，是新一輪科技和產業革命的重要挑戰。希望《中國制造2025》多關注這方面。

受我國基礎零部件、基礎材料、基礎技術、基礎共性技術研發不足的制約，我國重大技術裝備和智能制造裝備制造水平不高，缺乏高端、精密基礎零件加工專用制造設備反過來又限制了基礎零件和基礎材料的生產。

參考

1. Veers, P., et al., 風能科學的巨大挑戰。科學，2019. 366(6464).

2. 風扇軸承長期依賴進口