國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及啟示

執(zhí)筆人/楊榮斌

國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展新態(tài)勢及啟示

執(zhí)筆人/楊榮斌

海上風(fēng)力發(fā)電是人類開發(fā)利用海洋、發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要途徑

隨著20世紀(jì)90年代陸上風(fēng)力發(fā)電場進入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家及大型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)開始將目光聚焦到海上風(fēng)力發(fā)電，開展了積極的規(guī)劃部署和示范應(yīng)用，推動了海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展和相關(guān)市場的拓展。進入21世紀(jì)以后，因相關(guān)領(lǐng)域一些關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，全球海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備總裝機容量和市場規(guī)模迅速增長，海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景更加廣闊。

海上風(fēng)力發(fā)電正成為各國政府的支持重點

為推進海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家制定了詳細(xì)的產(chǎn)業(yè)扶持政策，涵蓋了前期示范應(yīng)用、立法保障、資源普查、風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)補貼、風(fēng)電上網(wǎng)補貼到過網(wǎng)費用機制等各個環(huán)節(jié)，為海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展掃清了障礙。

一是通過立法確立海上風(fēng)電在新能源產(chǎn)業(yè)中的地位。20世紀(jì)末以來，歐洲各國在電力市場化的改革進程中同步確立了海上風(fēng)力發(fā)電的法律地位。丹麥于1996年開始建設(shè)示范性海上風(fēng)電場，根據(jù)示范性應(yīng)用考查結(jié)果制定了《能源戰(zhàn)略2025》，認(rèn)為海上風(fēng)電是丹麥未來風(fēng)力發(fā)電的主要方向，并于1999年向私人投資者開放了海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。德國和西班牙則分別于2004年和2007年通過立法認(rèn)可了海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，海上風(fēng)電建設(shè)項目開始爆炸性增長。

二是采取政策性補貼、擔(dān)保和低息貸款手段扶持海上風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)。如丹麥?zhǔn)菤W洲海上風(fēng)力發(fā)電最為發(fā)達(dá)的國家之一，為海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造業(yè)提供了大量優(yōu)惠政策，主要包括從1981年開始執(zhí)行的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)補貼（后并入二氧化碳稅補貼），以及對安裝丹麥風(fēng)電機組的項目給予建設(shè)補貼，還有為項目建設(shè)提供擔(dān)保和低息貸款的優(yōu)惠政策。2011年，美國也發(fā)布了《國家海上風(fēng)電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)》，提出在五年內(nèi)投資5050萬美元支持海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)和克服市場障礙。

三是研究制定設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。歐盟要求各國分享已經(jīng)取得的海上風(fēng)電的經(jīng)驗和教訓(xùn)，協(xié)調(diào)各個風(fēng)機制造商聯(lián)合進行技術(shù)研發(fā)并盡可能形成規(guī)模化海上風(fēng)電的開發(fā)，同時著手制定海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系，以及統(tǒng)一的海上風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)機制，加強知識共享與合作研發(fā)?；跉W盟的統(tǒng)一要求，歐洲各國還相繼推出了各自的政策。

四是制定激勵性的電力上網(wǎng)定價機制。電力上網(wǎng)定價機制直接決定了海上風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的積極性。西班牙實行固定電價和溢價機制相結(jié)合的方式，由海洋風(fēng)電企業(yè)自主選擇，無論在未來電力銷售價格上升或下降時都能保護海洋風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的利益。德國《可再生能源法》在2009年修訂后規(guī)定海洋風(fēng)電上網(wǎng)價格從每千瓦時8.92歐分上調(diào)至13～15歐分，在此基礎(chǔ)上未來每年調(diào)低5%，目的是為海洋風(fēng)電產(chǎn)業(yè)設(shè)置保護期，同常規(guī)能源發(fā)電競爭爭取時間。

五是完善硬件基礎(chǔ)設(shè)施。海洋風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)力資源的限制，發(fā)電量的瞬時變化會對接入電網(wǎng)的安全性、平穩(wěn)運行產(chǎn)生重大影響。丹麥和西班牙是歐洲風(fēng)電入網(wǎng)比例最高的兩個國家，都超過總電網(wǎng)的15%。為了保障電網(wǎng)安全，丹麥通過建設(shè)跨國電網(wǎng)向別國出口或進口實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的動態(tài)調(diào)節(jié)，西班牙則通過較常規(guī)發(fā)電方式更為寬松的入網(wǎng)要求（只有當(dāng)風(fēng)力發(fā)電企業(yè)發(fā)電量與預(yù)測量相差超過20%時才需支付罰款，常規(guī)發(fā)電方式的限度則是5%）約束風(fēng)力發(fā)電企業(yè)提高發(fā)電預(yù)測精度，保障電網(wǎng)運行安全。

市場規(guī)?？焖贁U張，歐美發(fā)達(dá)國家掌控主流市場

2010年全球海上風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘窟_(dá)到3117.6兆瓦，新增1161.7兆瓦，其中歐洲海上風(fēng)電累計裝機容量為2946.2兆瓦，占全球市場的95%，占全球新增容量的76%，較上一年增長了51%。歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)計2011年還將有1000至1500兆瓦的海上風(fēng)電將在歐洲并網(wǎng)，在建的10個海上風(fēng)電場建成后，歐洲海上風(fēng)電裝機容量將達(dá)到6200兆瓦，占到目前可開發(fā)潛能19000兆瓦的33%。目前，海上風(fēng)電設(shè)備的主要生產(chǎn)廠商是德國的Siemens、REpower、Multibrid、Nordex、Enercon，丹麥的Vestas，芬蘭的WinWinD和美國的GEWind。其中德國Siemens和丹麥Vestas是風(fēng)機的兩大巨頭，GE則幾乎壟斷了美國市場。截至2010年，Siemens和Vestas分別安裝海上風(fēng)電機組386臺和349臺，是全球最大的兩大制造商。

關(guān)鍵技術(shù)相繼取得突破，未來發(fā)展方向逐步清晰

海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和機組主要是由葉片、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)四大模塊構(gòu)成。近年來，由于大型風(fēng)力發(fā)電機組運行可靠性問題己經(jīng)基本解決，國際上將風(fēng)電機組開發(fā)的重點逐步轉(zhuǎn)移到了高效率、高性能的數(shù)兆瓦級實用型商品化機型。目前，近海風(fēng)電機組主要有Vestas公司的2MW、3MW風(fēng)電機組，Siemens公司的2.3MW、3.6MW風(fēng)電機組，GE公司的3.6MW風(fēng)電機組，德國Repower公司的5MW風(fēng)電機組和德國Multibread公司的5MW半直驅(qū)風(fēng)電機組。

此外，德國Enercon公司已經(jīng)開發(fā)了6MW的近海風(fēng)電機組（葉片直徑127m）。綜合分析海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展熱點和主要公司的研發(fā)重點，四大模塊的未來發(fā)展趨勢如下：一是葉片技術(shù)的主攻方向是外形設(shè)計和新材料應(yīng)用。葉片技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機組的核心技術(shù)之一。為獲得更大的風(fēng)輪直徑和相同額定功率下更低的額定轉(zhuǎn)速，海上大型風(fēng)機葉片翼型基本都是對梯形葉片進行優(yōu)化。未來在大尺寸葉片方面，需要對葉片翼型進行更加精確的計算和設(shè)計。同時，風(fēng)機葉片材料的強度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前大型海上風(fēng)機葉片主要采用高強輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料，未來含有碳纖維與玻璃纖維層壓制品將成為兆瓦級風(fēng)葉片的換代產(chǎn)品。此外，竹質(zhì)綠色環(huán)保葉片已成為該領(lǐng)域的一個熱點方向。二是驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的重點是齒輪箱的制造設(shè)計與監(jiān)測。驅(qū)動系統(tǒng)齒輪箱是影響和制約風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而齒輪箱和軸承的強度壽命和變載荷能力是風(fēng)力發(fā)電機組性能的主要指標(biāo)之一。目前主要發(fā)展方向是在設(shè)計方面簡化齒輪箱和軸承結(jié)構(gòu)以提高可靠性，在制造方面提高原材料純凈度和改進工藝流程，在產(chǎn)品檢測方面優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)控手段，提供實時信息以保障機組穩(wěn)定運行。三是控制系統(tǒng)突破的關(guān)鍵在于風(fēng)機狀態(tài)實時檢測和軟件處理模式研究。未來風(fēng)電控制技術(shù)將主要通過風(fēng)機自主收集載荷數(shù)據(jù)，將設(shè)計目標(biāo)與實際載荷相比較“感知”健康狀況，根據(jù)控制策略和自主容錯技術(shù)“防范”風(fēng)機故障，從根本上保證風(fēng)機系統(tǒng)的自主運行和平穩(wěn)功率輸出，減少載荷波動。四是發(fā)電系統(tǒng)研究的重要方向是永磁直驅(qū)同步電機。感應(yīng)雙饋異步電機和永磁直驅(qū)同步電機是兩類主要的風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)，前者是風(fēng)電行業(yè)的主流機型，后者則代表著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。永磁直驅(qū)技術(shù)能大幅減少直驅(qū)風(fēng)電機組的空間尺寸，并在并網(wǎng)發(fā)電后較雙饋異步技術(shù)更容易滿足“低電壓穿越”要求，有利于保證整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。隨著采用一級行星齒輪和適當(dāng)增速比的“半直驅(qū)”技術(shù)于近年出現(xiàn)，永磁體及變流成本降低以及安全可靠性提高，“直驅(qū)”及“半直驅(qū)”將成為研發(fā)和生產(chǎn)的熱點。

上海東海大橋海上風(fēng)電項目是歐洲之外第一個海上風(fēng)電并網(wǎng)項目，該項目位于東海大橋東側(cè)的上海市海域，全部采用華銳風(fēng)電科技集團自主研發(fā)的34臺3兆瓦海上風(fēng)電機組。

國內(nèi)發(fā)展起步較晚，亟待奮起直追

國內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)剛剛起步，截至2010年總裝機容量為106兆瓦，只占世界海上風(fēng)電市場很小的份額。然而，國內(nèi)海上風(fēng)電的市場規(guī)模前景十分廣闊。據(jù)PikeResearch預(yù)計，到2017年我國海上風(fēng)電發(fā)電能力將達(dá)到11.7GW，成為世界第二大海上風(fēng)電市場。目前，國內(nèi)的海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)。在技術(shù)研發(fā)方面，國內(nèi)已經(jīng)掌握了兆瓦級海上風(fēng)電機組的核心技術(shù)，風(fēng)電機組技術(shù)實力增強。湘電集團5MW永磁直驅(qū)海上風(fēng)力發(fā)電機成功下線，攻克了海上風(fēng)力發(fā)電機組整機集成、專有單主軸承同步永磁發(fā)電機設(shè)計等多項技術(shù)難關(guān)；華銳風(fēng)電科技集團自主研發(fā)的6兆瓦風(fēng)電機組于2011年6月下線，該機組采用永磁直驅(qū)技術(shù)，成為為國內(nèi)最大風(fēng)機機組。此外，在風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)方面，也取得了一系列進展。

在示范項目方面，上海東海大橋海上風(fēng)電項目是歐洲之外第一個海上風(fēng)電并網(wǎng)項目，該項目位于東海大橋東側(cè)的上海市海域，全部采用華銳風(fēng)電科技集團自主研發(fā)的34臺3兆瓦海上風(fēng)電機組。

整體來看，為了搶占海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇，學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的經(jīng)驗與做法，上海乃至國內(nèi)的海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亟待從以下幾個方面進行突破：一是加大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度。目前國內(nèi)已能夠制造除齒輪箱和軸承以外的其他海上風(fēng)電機組零部件，但齒輪箱和軸承仍基本依賴進口，國內(nèi)產(chǎn)品故障率較高。此外，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組以雙饋異步電機為主，陸上風(fēng)力發(fā)電場就曾因為輸出功率不穩(wěn)定多次出現(xiàn)斷網(wǎng)事故，而代表未來發(fā)展方向的同步直驅(qū)電機已經(jīng)研制但尚未大規(guī)模生產(chǎn)。二是強化示范運營。國內(nèi)海上風(fēng)電機組制造商引進國外的技術(shù)和經(jīng)驗，起步較高，但缺乏真正商業(yè)運行考驗，尤其是體現(xiàn)在風(fēng)電場設(shè)計、設(shè)備運輸安裝和運營維護等方面缺乏配套服務(wù)手段，亟需選擇合適項目進行示范運營，積累經(jīng)驗。三是完善相關(guān)政策配套。當(dāng)前，《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》對海上風(fēng)電場建設(shè)制定了規(guī)范，但國家能源局主持編制的《風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)體系框架》尚未頒布，海上風(fēng)電設(shè)備制造的企業(yè)準(zhǔn)入和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及海上風(fēng)電上網(wǎng)電價和跨區(qū)過網(wǎng)費用機制仍然是政策空白。四是加強近海風(fēng)能資源配套調(diào)查。海上風(fēng)力發(fā)電以風(fēng)速高、風(fēng)功率密度大、湍流強度小等優(yōu)勢來抵消巨大的投資成本，準(zhǔn)確分析、預(yù)測海上風(fēng)電場風(fēng)能資源對海上風(fēng)電場的建設(shè)乃至海洋風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。但是我國還沒有高分辨率的近海風(fēng)能資源圖譜，限制了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本課題研究受上海市科技發(fā)展基金軟科學(xué)研究項目資助，文章由上?？萍及l(fā)展研究中心提供，原文刊載于《科技發(fā)展研究》2011年第10期