海上風(fēng)電機組葉片的發(fā)展趨勢分析*

徐一波，鄢敉君，李 林

（江西師范高等?？茖W(xué)校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

現(xiàn)今，人類社會發(fā)展正面臨著全球變暖、自然環(huán)境惡化、化石能源日益枯竭等諸多難題，二氧化碳等溫室氣體的不斷排放讓地球不斷吸收凈能量，使得地表溫度不斷上升。目前，地球上漲的地表溫度已經(jīng)接近1.5 ℃。在過去的40 年中，極端天氣事件暴發(fā)愈發(fā)頻繁，這也可能加快地球生態(tài)系統(tǒng)的惡化甚至崩潰。人類社會的可持續(xù)發(fā)展，需要努力降低碳排放，力爭早日實現(xiàn)碳的“零排放”甚至“負(fù)排放”[1]。為此，大力發(fā)展清潔能源是形勢所迫、大勢所趨。黨的第十九次全國代表大會報告提出，要推進(jìn)綠色發(fā)展，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，打造清潔低碳環(huán)保、安全高效的能源體系[2]。在2020 年的第75 屆聯(lián)合國大會與氣候雄心峰會中，習(xí)近平主席表示，到2030 年時，各種一次能源的消費占比中，非化石能源要占到四分之一，風(fēng)電和光電總的裝機容量至少要達(dá)到1 200 吉瓦時，CO2的排放要努力在2030 年之前到達(dá)最高點，力爭在2060年之前完成碳中和的最終目標(biāo)。這些計劃都表明我國未來可再生清潔能源的發(fā)展方向清晰明了，發(fā)展態(tài)勢刻不容緩。

當(dāng)前的國際形勢下，俄烏沖突爆發(fā)，北約各國紛紛宣布對其進(jìn)行制裁，其中，德國宣布暫停簽約俄羅斯的北溪2 號項目。作為全球最大的能源出口國，俄羅斯的能源出口受阻將引發(fā)國際能源局勢的劇烈震蕩。截至北京時間2022 年2 月24 日，美國洲際交易所（Intercontinental Exchange）布倫特原油期貨持續(xù)上漲，盤中一度超過了每桶100 美元的大關(guān)，達(dá)到了最近八年的歷史新高。不難預(yù)見到在未來一段時間內(nèi)，油價與電價的上漲將會呈現(xiàn)出不可阻擋的態(tài)勢。

當(dāng)下，我國的能源架構(gòu)依舊以化石能源為主，占比達(dá)85%。在化石能源消費中，煤炭資源占據(jù)了大部分的市場，占比超過50%。我國的資源儲量中，“缺油少氣”是無法避免的天然缺點，石油和天然氣在2020 年我國各類一次能源產(chǎn)量的占比僅分別為6.8%和6%。即便如此，在全球經(jīng)濟一體化的現(xiàn)在，國際油價氣價的大幅增長也會抬高國內(nèi)的一次能源價格，使得其相對于可再生能源發(fā)電的價格優(yōu)勢逐漸降低。

就國內(nèi)的能源分布狀況來看，其供應(yīng)與需求的關(guān)系恰好相反，不論是傳統(tǒng)的不可再生化石能源還是新型的可再生清潔能源，大多都集中在西部和北部，而在東部和南部等經(jīng)濟發(fā)達(dá)、能源消費需求高的地區(qū)，儲量卻相對較低。這也彰顯出了擁有巨大風(fēng)力資源的海上風(fēng)力發(fā)電在我國能源業(yè)中的優(yōu)勢地位，海上風(fēng)電靠近東部和南部的沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，在就地消納的同時[3]，還可以逐步形成海上風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)而成為一些沿海城市新的經(jīng)濟支柱，為當(dāng)?shù)靥峁└嗟木蜆I(yè)崗位，為其經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供新的選擇，并減少碳排放，助力當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護。此外，海上風(fēng)電還可以降低輸電成本和線路損耗，再加上海上的風(fēng)力資源頗為豐富，風(fēng)電機組運行的效率較高，不會占用日益匱乏的土地資源且適合大規(guī)模的開發(fā)等優(yōu)點。未來，海上風(fēng)力發(fā)電注定會在我國綠色能源體系架構(gòu)的發(fā)展中，扮演愈發(fā)重要的角色。

目前，海上風(fēng)力發(fā)電總體成本過高的問題亟需解決，它的功率和設(shè)備體積都比較大，還配有基座和電纜等相關(guān)的配套設(shè)施，導(dǎo)致設(shè)備成本很高；每臺風(fēng)電機組都配有一部發(fā)電機、設(shè)備安裝在海上，設(shè)備的運輸和安裝難度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的不可再生能源發(fā)電，這也使得運輸與安裝成本較為高昂；加之國內(nèi)目前對海上風(fēng)電機組的安裝船、海底電纜等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)還不夠深入，也從另一方面提高了發(fā)電成本；而且，風(fēng)電機組在海上運行，其運行和維護的成本都很高。2021年之前并網(wǎng)發(fā)電的近海風(fēng)電的電價為0.75元/千瓦時，遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)尚且剛剛起步，并網(wǎng)發(fā)電后的上網(wǎng)電價只高不低，而如表1 所示，2020 年國內(nèi)燃煤發(fā)電的上網(wǎng)電價最高的省份是廣東省，約為0.453 元/千瓦時，最低的寧夏回族自治區(qū)僅為0.259 5 元/千瓦時左右。巨大的電價差距阻遏了海上風(fēng)電的發(fā)展，若不降低發(fā)電成本，海上風(fēng)電將很難與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電在電價方面進(jìn)行競爭[4]。

表1 2020 年部分省份/直轄市燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價統(tǒng)計表

2 海上風(fēng)電葉片的發(fā)展趨勢

完整的海上風(fēng)電機組由葉片、風(fēng)機、塔身與基座四部分組成，而葉片和輪轂又組成了風(fēng)輪，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為機械能。對風(fēng)電機組而言，保障葉片質(zhì)量才能保障其可靠性與發(fā)電量。此外，平抑電價的政策促使風(fēng)電企業(yè)需要從各個環(huán)節(jié)來降低生產(chǎn)成本，而葉片的改良有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)，葉片越長，葉輪面積也就越大，在相同的運行時間內(nèi)，發(fā)電量也就更高。發(fā)電效率提升的同時，還能夠降低塔架設(shè)施成本，從而有助于降低發(fā)電成本[5]。

當(dāng)前，國內(nèi)的風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)已然發(fā)起了針對葉片長度的攻堅，在2008 年，并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑約為65 m，而到了2018 年，這一數(shù)據(jù)國外達(dá)到了120 m，近乎增長了一倍。到了2021 年，我國第一款長度超百米的風(fēng)電葉片在江蘇鹽城誕生，這標(biāo)志著我國風(fēng)電行業(yè)正式邁入了百米長葉片的時代。而這個長度遠(yuǎn)不是葉片發(fā)展的終點，世界五百強的丹麥風(fēng)電設(shè)備巨頭維斯塔斯宣布未來會制造功率達(dá)15 MW，葉片長度超115 m 的海上風(fēng)電機組；位于我國廣東的明陽智能也宣稱其正在對功率達(dá)16 MW，葉片長度約118 m的海上風(fēng)電機組進(jìn)行技術(shù)攻堅。

降低重量、提升強度、降低成本是風(fēng)電葉片未來的發(fā)展趨勢[6]。伴隨著葉片長度的逐漸變長，葉片的重量也會不斷增加，這對海上風(fēng)電安裝船的運輸能力提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是風(fēng)電的未來在于遠(yuǎn)海的情況下，不增大安裝船承載重量上限的話，即便更長的葉片成功下線，也無法安裝成功，并網(wǎng)發(fā)電。但是，質(zhì)量不止由體積決定，制造材料的密度也同樣關(guān)鍵，當(dāng)前的風(fēng)機葉片基本都依賴于玻璃纖維增強塑料，為降低葉片重量，有的風(fēng)電廠商已經(jīng)開始使用密度更低的碳纖維來代替玻璃纖維，這也將是未來風(fēng)電葉片的主流材料。

此外，運行與維護也是風(fēng)電機組的又一焦點問題。對海上風(fēng)電來說，一方面，設(shè)備在高鹽度和高濕度的外界環(huán)境中持續(xù)運行，使用碳纖維有助于增強葉片的耐腐蝕性能。而且，夏季時臺風(fēng)高發(fā)，加上平時也有雷雨天氣等其他的惡劣天氣，使得海上風(fēng)電機組對可靠性的要求比其他發(fā)電設(shè)備更高，而相對于玻璃纖維，強度和剛度更高的碳纖維能更好地確保這一點，一舉多得[7]。而葉片的受損主要分為環(huán)境影響和人為損傷兩種情形。雷雨冰雹等惡劣天氣會損傷葉片，長此以往，受損程度將不斷增大。為此，當(dāng)前的風(fēng)電廠商考慮金屬網(wǎng)和接閃器等兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行雷電保護[8]。另一方面，為確保葉片性能，一個風(fēng)電機組的三只葉片必須在24 小時內(nèi)安裝完成[9]，在追求施工速度的同時也增大了葉片在裝船、運輸與起吊等安裝環(huán)節(jié)中磕碰受損的可能性，且施工船在接近機組進(jìn)行施工作業(yè)的時候也容易碰撞并損傷葉片。為此，在提升葉片強度的同時，也應(yīng)該加強施工人員的職業(yè)培訓(xùn)，重視施工船的技術(shù)升級，建立完善的管理系統(tǒng)[10]。為及早發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)逐步使用無人機技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工巡檢，并在葉片上安裝自檢系統(tǒng)，雙管齊下進(jìn)行實時監(jiān)測，確保及時發(fā)現(xiàn)隱患，及早排除故障，從而將損失降到最低[11]。

3 結(jié)語

目前，清潔、廉價、可靠的能源始終困擾著全球能源業(yè)，海上風(fēng)電的未來，要力爭同時實現(xiàn)這三點，葉片的發(fā)展要專注長度、質(zhì)量、葉形、剛度、強度等方面因素，在運行過程中也要注意防雷防結(jié)冰等各類保護，并建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)和安裝運維體系，幫助海上風(fēng)電早日取代傳統(tǒng)化石能源成為能源領(lǐng)域的主力軍，進(jìn)而幫助人類社會早日實現(xiàn)碳中和甚至碳的“凈負(fù)排放”。