風力發(fā)電蓬勃發(fā)展拉動稀土磁體需求

● 王春筍 張安文/文

一、風能

風能是一種潛力大、清潔無公害的可再生能源。風力發(fā)電是指利用風力發(fā)電機組直接將風能轉化為電能的發(fā)電方式。在風能的各種利用形式中，風力發(fā)電是風能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組，這種風力發(fā)電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發(fā)電機和鐵塔三部分。大型風力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型(包括家用型)才會擁有尾舵。風力發(fā)電機組由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能;尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能;轉體能使機頭靈活地轉動以實現(xiàn)尾翼調整方向的功能;機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。

依據(jù)目前的風車技術，大約每秒3 米的微風速度，便可以開始發(fā)電。但從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，風速大于每秒4 米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺55千瓦的風力發(fā)電機組，當風速為每秒5 米時，機組的輸出功率僅為9.5 千瓦；風速為每秒6 米時，輸出功率16 千瓦；當風速每秒8 米時，功率為38 千瓦；而風速為每秒9.5 米時，機組的輸出功率為55 千瓦，由此可見，風力愈大，經(jīng)濟效益也愈大。

風力發(fā)電具有清潔、環(huán)境效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、裝機規(guī)模靈活等優(yōu)點，但它也有噪聲、視覺污染、占用大片土地、目前成本略高和影響鳥類棲息遷徙等缺點。

二、風能市場

在全球節(jié)能減排和碳中和的綠色發(fā)展趨勢下，風能作為一種清潔的可再生能源由于不需要使用燃料，且也不會產生輻射或空氣污染，正在成為替代傳統(tǒng)化石燃料的選項之一，風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮。

全球風能蘊藏量遠超過石油、煤炭的蘊藏量，地球上可以利用的風能被認為比可開發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。全球風能資源技術開發(fā)潛力=全球電力需求40 倍。

中國的風力資源極為豐富，可開發(fā)利用的風能儲量約1000 GW，其中，陸地上風能儲量約253GW(以陸地上離地10m 高度計算)，海上可開發(fā)和利用的風能儲量約750 GW。而且，中國風力資源的分布面非常廣，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風速都在每秒3 米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大;有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區(qū)，利用風能具有得天獨厚的條件。

縱觀中國風電的發(fā)展歷程，在2006年前中國風力發(fā)電處于萌芽和起步階段。2006年，中國風電累計裝機容量達到2.60GW，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。2007年我國風電產業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài)勢，截至2007年底全國累計裝機容量約6 GW。

2008年，中國風電裝機總量超過7GW，占中國發(fā)電總裝機容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。同時也開啟了國內風電白熱化建設的時代。2009年，中國新增風電機組10129 臺，容量13.8 GW，同比增長124%;累計安裝風電機組21581 臺，容量25.8 GW。

此后10年間，中國風電裝機容量大體呈現(xiàn)逐年穩(wěn)步遞進的態(tài)勢。2019年，中國新增風電并網(wǎng)裝機容量25.74GW，其中陸上新增并網(wǎng)裝機容量23.76GW，海上新增并網(wǎng)裝機容量1.98GW。截至2019年底，我國風電裝機容量達209.94GW，自2009年以來一直保持世界第一，占全球累計風電裝機量的32.24%，圖1 所示為2005 至2020年間中國風電裝機總量和新增風電裝機量的發(fā)展軌跡。

圖1 中國風電總裝機量和各年新增裝機量統(tǒng)計(GW)

國家能源局2021年1月20 日公布了2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，2020年新增并網(wǎng)裝機容量71.67GW，創(chuàng)下歷史新高，超過2017（15.03GW）、2018（20.59GW）和2019年（25.74GW）三年新增并網(wǎng)裝機規(guī)模的總和61.36GW，但是根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2020年1～11月新增風電裝機24.62GW,這意味著僅2020年12月的風電新增裝機容量高達47.05GW，比2018、2019 兩年裝機總和還要多，參見圖2 所示的2020年1～12月中國新增風電裝機量。

圖2 2020年風電月新增裝機容量（GW）

補貼退坡刺激及海上風電發(fā)展提速的雙重影響是造成12月裝機容量突然猛增的原因。2019年5月25 日，國家發(fā)改委發(fā)布了《關于完善風電上網(wǎng)電價政策的通知》，其中明確：2018年底之前核準的陸上風電項目，2020年底前仍未完成并網(wǎng)的，國家不再補貼。在去補貼政策刺激下，風電行業(yè)陷入了瘋狂“搶裝”。為確保項目收益，風電和光伏開發(fā)商竭盡全力要在2020年底并網(wǎng)，所以2020年12月的風電新增裝機數(shù)據(jù)并不具有常態(tài)數(shù)據(jù)的意義。

2020年12月風電新增裝機量的井噴也使我國2020年風電累計裝機總量從2019年剛超過2 億千瓦(200GW)，直接增長到接近3 億千瓦(300GW)，而風電和光伏累計裝機總容量高達5.3 億千瓦(530GW)。截至2020年底，全國電力總裝機容量約22 億千瓦(2200GW)，也就是說，風電和光伏裝機占比已經(jīng)高達24%，也意味著高比例新能源電力時代已逐步來臨。2020年風電、光伏新增裝機接近1.2 億千瓦(120GW)，約占全國新增發(fā)電裝機的62.8%，水電、風電、光伏發(fā)電、生物質發(fā)電裝機容量，均居世界首位。

2020年風電發(fā)電量4665 億千瓦時，同比增長約15%，幾乎相當于4個三峽電站2020年的發(fā)電量！2008～2020年中國風電發(fā)電量數(shù)據(jù)參見圖3。

圖3 2008～2020年中國風力發(fā)電量（GW-h）

三、風電布局

從風電建設的布局結構來看，過去風電開發(fā)主要集中在風資源較好的“三北”地區(qū)，隨著近幾年大兆瓦機組、長葉片、超高塔筒等應用推廣，平原地區(qū)、低風速地區(qū)也具備了開發(fā)條件。2020年風電新增裝機中，中東部和南方地區(qū)占比約40%。（“三北”地區(qū)指我國的東北、華北和西北地區(qū)，東北包括黑龍江、吉林、遼寧；華北包括北京、天津、河北、山西、內蒙古；西北包括陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆。）

中東部和南方風電建設的增加是海上風電份額逐漸提升的主要原因。近年來，由于我國陸上風電的建設技術已日趨成熟，加之海上風電資源更為廣闊，開發(fā)條件好，國家風電發(fā)展政策逐漸向海上發(fā)電傾斜。據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2013年以來，我國海上風電市場份額穩(wěn)步提升，2013年，海上風電累計裝機容量為0.45GW，僅占總體風電累計裝機量的0.58%，到2020年，增長至3GW，占總體的4.23%。2020年，三北地區(qū)新增裝機與中東部和南方地區(qū)新增裝機持平;利用水平進一步提升，風電利用率97%，同比提升1 個百分點。未來五年，海上風電有能力實現(xiàn)規(guī)模化、平價化發(fā)展。圖4 所示為2013～2020年中國陸上風電與海上風電的新增裝機比例。

圖4 2013～2020年中國陸上風電和海上風電新增裝機比例（%）

在開發(fā)成本方面，發(fā)展到目前階段，風電的性價比正在形成與煤電、水電的競爭優(yōu)勢。風電的優(yōu)勢在于:裝機能力每增加一倍，成本就下降15%，從多年前風力發(fā)電最便宜八毛錢一度，有的甚至要兩元左右，降到如今我國大部分地區(qū)尤其是新建的風電陸上項目不再需要補貼，風資源好的一些地方，價格甚至比煤電還低。目前在我國“三北”地區(qū)，風電電價已基本實現(xiàn)為0.16 元，已具備與火電比拼成本階段。到2023年“三北”風電成本有望實現(xiàn)0.1元左右。

從風機的制造商角度講，中國風機整機制造產業(yè)市場集中度穩(wěn)步提高，前五大整機制造商吊裝容量高達21.7GW，共占據(jù)76%市場份額。金風科技，遠景能源，明陽智慧能源穩(wěn)居前三，運達風電、上海電氣分列第四、第五。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，中國已經(jīng)擁有世界上1/3 的風力發(fā)電、全球十大風力渦輪機制造商中的4 家。表1 列舉了中國市場上的主要風機制造商。

表1 中國市場主要風機制造商

四、稀土永磁在風電中的應用

中國風力發(fā)電的蓬勃發(fā)展得益于將稀土永磁材料和技術應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中。

風力發(fā)電機組是風力發(fā)電系統(tǒng)中最關鍵的部件。在風力發(fā)電機組中，永磁直驅風力發(fā)電機在傳動鏈中不含有增速齒輪箱，僅僅依靠增加磁極對數(shù)使得電機的額定轉速下降達到轉速調節(jié)的目的。直驅永磁發(fā)電機省去了風力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，即所謂的直驅，減小了發(fā)電機的維護工作并降低噪聲；它不需要勵磁裝置，磁繞組轉子上也沒有集電環(huán)和電刷，因此具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高、可靠性好、變速運行范圍寬等優(yōu)點；同時永磁直驅風力發(fā)電機采用全功率的交-直-交變頻技術，與電網(wǎng)隔離，具有低電壓穿越能力，對電網(wǎng)友好，易于并網(wǎng)。

在風力發(fā)電市場中，結構簡單、運行可靠、機械損耗小、運行效率高、維護成本低是稀土永磁直驅風力發(fā)電機得到越來越多市場青睞的制勝優(yōu)勢，使之成為重要風力發(fā)電機型，逐漸在中小型風力發(fā)電機中得到廣泛應用。尤其適合用于單機容量比較小的風場，能夠高效并網(wǎng)發(fā)電，以及風力資源豐富但電力設施匱乏、交通不便的地區(qū)，例如為高速公路照明設備提供電源等。

2008年新疆金風科技股份有限公司生產出數(shù)百臺1.5MW 的直驅式永磁風力發(fā)電機，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，中國的永磁風力發(fā)電機的整體水平已走在世界前列。稀土永磁發(fā)電機的使用量逐年增長，圖5 所示的是2015～2020年中國新增永磁直驅發(fā)電機組的用量。

圖5 2015～2022年中國永磁直驅式風力發(fā)電機新增裝機容量（GW）

永磁直驅發(fā)電機組安裝量的穩(wěn)步增長也進一步推動了稀土永磁體在風力發(fā)電領域的增長，2013～2020年中國新增風電裝機量以及稀土在風電領域消費量的參照對比見圖6。舉例而言，金力永磁是國內有代表性的為風力發(fā)電企業(yè)提供永磁體的磁材制造商，根據(jù)其公司2020年半年度報告，金立永磁2020年上半年在風力發(fā)電領域收入達到3.76 億元。

圖6 2013～2020年中國新增風電裝機量及稀土在風電領域消費量參照對比

五、發(fā)展趨勢

風電行業(yè)發(fā)展趨勢將是不可逆轉的。按照“十四五”規(guī)劃中清潔低碳、安全高效的能源發(fā)展方向，中國將推動水電、風電、太陽能發(fā)電、生物質能、地熱能、海洋能等可再生能源向更大規(guī)模、更高比例、更高質量、更低成本發(fā)展，同時與儲能、氫能等產業(yè)融合發(fā)展。根據(jù)《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，中國將兌現(xiàn)“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的承諾，實現(xiàn)到2030年“風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12 億千瓦以上”的目標。根據(jù)國際能源署的估算，未來20年，中國將在低碳發(fā)電和其他清潔能源技術方面投資預計超過6 萬億美元。中國在清潔能源基礎設施方面的支出已超過了美國和歐盟的總和。從長遠來看，到2023年，可再生能源預計將占到全球新增發(fā)電量的70%以上?？紤]到全球約50%的能源可能來自太陽能和風能，中國似乎有望成為世界上第一個清潔能源超級大國。

中國目前已開發(fā)的風能資源僅占其蘊藏量的不足5%，而且風電相對于光伏有一個優(yōu)勢，是同樣發(fā)電效率和發(fā)電量，光伏占地面積是風電的200～500 倍，因此未來風力發(fā)電建設還有更廣闊的發(fā)展空間。據(jù)國家能源局新能源和可再生能源司副司長任育之表示，接下來要以更大力度推動風電規(guī)?；l(fā)展，推進風電技術進步和產業(yè)升級，繼續(xù)健全完善風電產業(yè)政策、促進風電容量消納、推動規(guī)劃政策協(xié)同以及體制和機制創(chuàng)新，為風電高質量發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

最近約400 家風能企業(yè)，發(fā)表了“風能北京宣言”，提出在“十四五”規(guī)劃中，應為風電設定與碳中和國家發(fā)展戰(zhàn)略相適應的發(fā)展空間：保證年新增裝機大于5000 萬千瓦。“宣言”認為今后以零碳為目標的中國投資市場將集中于六大領域，即循環(huán)經(jīng)濟，氫能、數(shù)字化、儲能、零碳發(fā)電技術、終端消費電器化。風電和光伏發(fā)電是零碳發(fā)電技術的重要措施。“宣言”提出2025年后年新增裝機容量大于6000 萬千瓦，2030年風電累計裝機量達到8億千瓦，2060年達到30 億千瓦。

在這個意義上說，作為風力發(fā)電產業(yè)的重要部件材料，稀土永磁體的市場未來也必定會隨之有大幅的增長。