一、前言
風(fēng)能是資源潛力巨大、技術(shù)較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對(duì)氣候變化的新形勢(shì)下，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，并已在全球大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用?！笆晃濉钡健笆濉逼陂g，我國(guó)風(fēng)電經(jīng)歷了飛速發(fā)展的十年，風(fēng)電成為繼火電、水電之后的第三大電源。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年，我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)19.5GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)188.2GW，占全球風(fēng)電總裝機(jī)量的35%。根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的9.2%，風(fēng)電的年發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電總量的4.8%。
我國(guó)開(kāi)展風(fēng)電技術(shù)研發(fā)已有40多年的歷史，與歐美國(guó)家同時(shí)起步，早期主要由科研機(jī)構(gòu)和大專(zhuān)院校進(jìn)行樣機(jī)研究和試制，在“九五”和“十五”期間，我國(guó)首批風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)初步掌握了定槳距機(jī)組總體設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆晃濉币詠?lái)，隨著國(guó)家陸續(xù)制定出臺(tái)了促進(jìn)風(fēng)電等可再生能源發(fā)展的相關(guān)法規(guī)和扶持政策，眾多國(guó)內(nèi)外企業(yè)大舉投入中國(guó)風(fēng)電制造業(yè)，通過(guò)引進(jìn)生產(chǎn)許可證、建立合資企業(yè)、開(kāi)展自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)等手段，研制兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)引進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)對(duì)風(fēng)電技術(shù)開(kāi)發(fā)的路線圖、關(guān)鍵要素和潛在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)日益深入，開(kāi)發(fā)出若干具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)型，在單機(jī)容量上也逐漸接近國(guó)際領(lǐng)先水平。
我國(guó)風(fēng)電企業(yè)通過(guò)引進(jìn)消化吸收和再創(chuàng)新，掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)，并且在適應(yīng)低風(fēng)速條件和惡劣環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，處于全球領(lǐng)先地位，在大容量機(jī)組開(kāi)發(fā)上也基本實(shí)現(xiàn)了與世界同步。這些成就，既保證了我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，也為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)從大到強(qiáng)的跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
為適應(yīng)我國(guó)中東部和南部地區(qū)巨大的低風(fēng)速資源，近年來(lái)很多整機(jī)設(shè)備廠商紛紛推出高塔筒和長(zhǎng)葉片等方案，在技術(shù)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中借鑒了歐洲廠商的經(jīng)驗(yàn)，但也有不少是我國(guó)的設(shè)備廠商因地制宜，根據(jù)國(guó)內(nèi)資源和產(chǎn)業(yè)配套情況提出的一些新的思路和方法，體現(xiàn)出我國(guó)整機(jī)設(shè)備廠商在技術(shù)路線方面已經(jīng)開(kāi)始具備一定的自主創(chuàng)新能力。
我國(guó)在風(fēng)電機(jī)組領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和共性技術(shù)研究方面相對(duì)不足，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)軟件及載荷評(píng)估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產(chǎn)品，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風(fēng)電機(jī)組認(rèn)證規(guī)則及國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）提出的IEC61400系列風(fēng)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，未充分考慮到我國(guó)風(fēng)能資源、自然環(huán)境和電網(wǎng)接納方式的特殊性。國(guó)外風(fēng)電行業(yè)在跨行業(yè)的技術(shù)整合與成果轉(zhuǎn)化方面非?；钴S，一直以來(lái)引領(lǐng)主流技術(shù)的發(fā)展路線，在基本理論、基礎(chǔ)工藝和材料應(yīng)用等方面至今仍具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。從長(zhǎng)期來(lái)看，風(fēng)電是一個(gè)對(duì)設(shè)備可靠性要求非常高的資金與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，從全球范圍來(lái)看，由于風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和資金門(mén)檻的提高，行業(yè)集中度也在不斷提高。
二、風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
（一）大型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)與制造發(fā)展現(xiàn)狀
1.大型風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)
在市場(chǎng)需求和競(jìng)爭(zhēng)的推動(dòng)下，中國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)技術(shù)升級(jí)和國(guó)際化進(jìn)程不斷加快。當(dāng)前我國(guó)1.5~4MW風(fēng)電機(jī)組已形成充足的供應(yīng)能力，部分機(jī)組制造商的5~6MW風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)也已下線。
目前，國(guó)外主要的整機(jī)制造商已經(jīng)完成4~7MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化，8~10MW級(jí)的風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)已掛機(jī)，歐美整機(jī)設(shè)計(jì)公司均進(jìn)入到10MW級(jí)整機(jī)設(shè)計(jì)階段。維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)公司（Vestas）和德國(guó)Senvion公司都發(fā)布了將開(kāi)發(fā)200m左右葉輪直徑的10MW風(fēng)電機(jī)組的計(jì)劃，2018年美國(guó)通用電氣公司宣布將在3年內(nèi)完成12MW海上風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)。
在全球范圍內(nèi)，歐洲海上風(fēng)電發(fā)展起步最早，裝機(jī)規(guī)模占比最高。2017年，歐洲新增海上風(fēng)電裝機(jī)量即達(dá)到了3GW，迎來(lái)井噴式的增長(zhǎng)。這說(shuō)明歐洲廠商通過(guò)多年的實(shí)踐，積累了豐富的設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于海上風(fēng)電投資回報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)控制具有充分的信心。
目前，歐洲6MW海上風(fēng)電機(jī)組已形成產(chǎn)業(yè)化能力并實(shí)現(xiàn)批量裝機(jī)，8MW海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入樣機(jī)試運(yùn)行階段，更大容量的海上風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)。在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方面，歐洲具備了單樁、多樁、重力樁、導(dǎo)管架等多種樣式基礎(chǔ)形式的設(shè)計(jì)、制造能力。在海上風(fēng)電業(yè)務(wù)領(lǐng)域，技術(shù)、資金和工程經(jīng)驗(yàn)的壁壘比陸上風(fēng)電更為顯著，美國(guó)西門(mén)子公司、西班牙歌美颯集團(tuán)在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)已有少量海上風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行，由于缺少海上風(fēng)電場(chǎng)示范經(jīng)驗(yàn)，尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與整個(gè)海上風(fēng)電工程設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致占海上風(fēng)電投資成本較大比例的基礎(chǔ)、線路和變電站設(shè)計(jì)成本難以降低，加之機(jī)組的可靠性仍未得到充分驗(yàn)證，海上風(fēng)電的投資回報(bào)存在較大的不確定性。因而，需要通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組與海上風(fēng)電工程設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化，避免各部件單獨(dú)設(shè)計(jì)導(dǎo)致過(guò)剩及浪費(fèi)，有效降低海上風(fēng)電度電成本。
2.零部件配套
在風(fēng)電機(jī)組零部件配套方面，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成包括葉片、塔筒、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變槳和偏航系統(tǒng)、輪轂、變流器等在內(nèi)的零部件生產(chǎn)體系。上述主要零部件的產(chǎn)量均已居全球第一位，除配套國(guó)產(chǎn)整機(jī)廠商外，部分零部件也對(duì)國(guó)外廠商有少量配套。但是，在高性能軸承、油脂、傳感器、控制器等方面，國(guó)產(chǎn)零部件尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口零部件的完全替代。
我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域各類(lèi)零部件在工程應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，但在設(shè)計(jì)原理和優(yōu)化方法、新材料和新工藝的運(yùn)用、零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的多物理場(chǎng)仿真和全性能驗(yàn)證測(cè)試、高性能零部件的品質(zhì)管控等方面仍然存在短板，在機(jī)組控制技術(shù)和整機(jī)、零部件具體運(yùn)行性能關(guān)聯(lián)性的研究方面尚存在很大不足。
總體來(lái)看，我國(guó)風(fēng)電整機(jī)和零部件配套行業(yè)不同程度地存在著大而不強(qiáng)、泛而不精的現(xiàn)象，在基礎(chǔ)材料和工藝技術(shù)方面的研究比較欠缺，在長(zhǎng)期可靠性、產(chǎn)品一致性方面與部分進(jìn)口產(chǎn)品尚存在差距。多數(shù)零部件廠商在考慮設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用時(shí)多著眼于自身，在系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)和產(chǎn)業(yè)鏈深度合作方面仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)。
3.風(fēng)電試驗(yàn)平臺(tái)
國(guó)外風(fēng)電實(shí)驗(yàn)室大多覆蓋風(fēng)能資源評(píng)估、風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、傳動(dòng)鏈平臺(tái)測(cè)試、風(fēng)電并網(wǎng)仿真等領(lǐng)域。如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）建立了不同時(shí)間尺度的風(fēng)能資源預(yù)測(cè)模型、7MVA多功能電網(wǎng)擾動(dòng)模擬裝置、5MW風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈測(cè)試平臺(tái)等研究平臺(tái)，具有國(guó)際先進(jìn)水平的風(fēng)電/光伏發(fā)電設(shè)備及零部件的試驗(yàn)研發(fā)能力；丹麥國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（DTU/RIS?）在風(fēng)能領(lǐng)域的研究包括風(fēng)能資源評(píng)估與微觀選址、風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、風(fēng)電并網(wǎng)與控制、海上風(fēng)電、空氣動(dòng)力學(xué)研究和設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性、遙感和試驗(yàn)、邊界層氣象與湍流、材料等。
我國(guó)目前僅有部分風(fēng)電企業(yè)建設(shè)有自己的動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)，但是測(cè)試功能相對(duì)單一，不具備公共性和獨(dú)立性，各廠商大多根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的側(cè)重點(diǎn)來(lái)開(kāi)展研究性試驗(yàn)，開(kāi)放交流顯著不足。
2010年，我國(guó)在張北建立了國(guó)家風(fēng)電技術(shù)檢測(cè)與研究中心，借助公共試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展了一系列風(fēng)電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能和電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試，為我國(guó)提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力和加快規(guī)模化發(fā)展提供了有效助力。我國(guó)適合開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域集中在東南沿海，具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點(diǎn)。目前我國(guó)針對(duì)上述風(fēng)電應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)性的專(zhuān)業(yè)檢測(cè)技術(shù)能力尚未形成，亟需加強(qiáng)相關(guān)檢測(cè)能力建設(shè)。而歐美針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)和運(yùn)行期間對(duì)水文、電網(wǎng)、氣象、生物等影響已開(kāi)展了多項(xiàng)檢測(cè)研究活動(dòng)，并且開(kāi)發(fā)出一系列專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備。
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