執(zhí)筆人/楊榮斌

國(guó)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(shì)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(jì)的重要途徑

隨著20世紀(jì)90年代陸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)了海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展和相關(guān)市場(chǎng)的拓展。進(jìn)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(jī)容量和市場(chǎng)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，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(guó)政府的支持重點(diǎn)

為推進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)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(bǔ)貼、風(fēng)電上網(wǎng)補(bǔ)貼到過(guò)網(wǎng)費(fèi)用機(jī)制等各個(gè)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(guò)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(lái)，歐洲各國(guó)在電力市場(chǎng)化的改革進(jìn)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(chǎng)，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(lái)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(guó)和西班牙則分別于2004年和2007年通過(guò)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(xiàng)目開始爆炸性增長(zhǎng)。

二是采取政策性補(bǔ)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(guó)家之一，為海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造業(yè)提供了大量?jī)?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(bǔ)貼（后并入二氧化碳稅補(bǔ)貼），以及對(duì)安裝丹麥風(fēng)電機(jī)組的項(xiàng)目給予建設(shè)補(bǔ)貼，還有為項(xiàng)目建設(shè)提供擔(dān)保和低息貸款的優(yōu)惠政策。2011年，美國(guó)也發(fā)布了《國(guó)家海上風(fēng)電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)》，提出在五年內(nèi)投資5050萬(wàn)美元支持海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)和克服市場(chǎng)障礙。

三是研究制定設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。歐盟要求各國(guó)分享已經(jīng)取得的海上風(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，協(xié)調(diào)各個(gè)風(fēng)機(jī)制造商聯(lián)合進(jìn)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(shí)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(jī)制，加強(qiáng)知識(shí)共享與合作研發(fā)。基于歐盟的統(tǒng)一要求，歐洲各國(guó)還相繼推出了各自的政策。

四是制定激勵(lì)性的電力上網(wǎng)定價(jià)機(jī)制。電力上網(wǎng)定價(jià)機(jī)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(shí)行固定電價(jià)和溢價(jià)機(jī)制相結(jié)合的方式，由海洋風(fēng)電企業(yè)自主選擇，無(wú)論在未來(lái)電力銷售價(jià)格上升或下降時(shí)都能保護(hù)海洋風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的利益。德國(guó)《可再生能源法》在2009年修訂后規(guī)定海洋風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格從每千瓦時(shí)8.92歐分上調(diào)至13～15歐分，在此基礎(chǔ)上未來(lái)每年調(diào)低5%，目的是為海洋風(fēng)電產(chǎn)業(yè)設(shè)置保護(hù)期，同常規(guī)能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)取時(shí)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(shí)變化會(huì)對(duì)接入電網(wǎng)的安全性、平穩(wěn)運(yùn)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(gè)國(guó)家，都超過(guò)總電網(wǎng)的15%。為了保障電網(wǎng)安全，丹麥通過(guò)建設(shè)跨國(guó)電網(wǎng)向別國(guó)出口或進(jìn)口實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，西班牙則通過(guò)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(cè)量相差超過(guò)20%時(shí)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(cè)精度，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。

市場(chǎng)規(guī)?？焖贁U(kuò)張，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家掌控主流市場(chǎng)

2010年全球海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)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(jì)裝機(jī)容量為2946.2兆瓦，占全球市場(chǎng)的95%，占全球新增容量的76%，較上一年增長(zhǎng)了51%。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)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(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建成后，歐洲海上風(fēng)電裝機(jī)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(guó)的Siemens、REpower、Multibrid、Nordex、Enercon，丹麥的Vestas，芬蘭的WinWinD和美國(guó)的GEWind。其中德國(guó)Siemens和丹麥Vestas是風(fēng)機(jī)的兩大巨頭，GE則幾乎壟斷了美國(guó)市場(chǎng)。截至2010年，Siemens和Vestas分別安裝海上風(fēng)電機(jī)組386臺(tái)和349臺(tái)，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(lái)發(fā)展方向逐步清晰

海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和機(jī)組主要是由葉片、驅(qū)動(dòng)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(lái)，由于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性問(wèn)題己經(jīng)基本解決，國(guó)際上將風(fēng)電機(jī)組開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到了高效率、高性能的數(shù)兆瓦級(jí)實(shí)用型商品化機(jī)型。目前，近海風(fēng)電機(jī)組主要有Vestas公司的2MW、3MW風(fēng)電機(jī)組，Siemens公司的2.3MW、3.6MW風(fēng)電機(jī)組，GE公司的3.6MW風(fēng)電機(jī)組，德國(guó)Repower公司的5MW風(fēng)電機(jī)組和德國(guó)Multibread公司的5MW半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。

此外，德國(guó)Enercon公司已經(jīng)開發(fā)了6MW的近海風(fēng)電機(jī)組（葉片直徑127m）。綜合分析海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)和主要公司的研發(fā)重點(diǎn)，四大模塊的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如下：一是葉片技術(shù)的主攻方向是外形設(shè)計(jì)和新材料應(yīng)用。葉片技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)葉片翼型基本都是對(duì)梯形葉片進(jìn)行優(yōu)化。未來(lái)在大尺寸葉片方面，需要對(duì)葉片翼型進(jìn)行更加精確的計(jì)算和設(shè)計(jì)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前大型海上風(fēng)機(jī)葉片主要采用高強(qiáng)輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料，未來(lái)含有碳纖維與玻璃纖維層壓制品將成為兆瓦級(jí)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(gè)熱點(diǎn)方向。二是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)是齒輪箱的制造設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)。驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度壽命和變載荷能力是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)方面簡(jiǎn)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(jìn)工藝流程，在產(chǎn)品檢測(cè)方面優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)控手段，提供實(shí)時(shí)信息以保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。三是控制系統(tǒng)突破的關(guān)鍵在于風(fēng)機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)和軟件處理模式研究。未來(lái)風(fēng)電控制技術(shù)將主要通過(guò)風(fēng)機(jī)自主收集載荷數(shù)據(jù)，將設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)際載荷相比較“感知”健康狀況，根據(jù)控制策略和自主容錯(cuò)技術(shù)“防范”風(fēng)機(jī)故障，從根本上保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自主運(yùn)行和平穩(wěn)功率輸出，減少載荷波動(dòng)。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(jī)。感應(yīng)雙饋異步電機(jī)和永磁直驅(qū)同步電機(jī)是兩類主要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，前者是風(fēng)電行業(yè)的主流機(jī)型，后者則代表著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)。永磁直驅(qū)技術(shù)能大幅減少直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。隨著采用一級(jí)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(diǎn)。

上海東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目是歐洲之外第一個(gè)海上風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目，該項(xiàng)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(tuán)自主研發(fā)的34臺(tái)3兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組。

國(guó)內(nèi)發(fā)展起步較晚，亟待奮起直追

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)剛剛起步，截至2010年總裝機(jī)容量為106兆瓦，只占世界海上風(fēng)電市場(chǎng)很小的份額。然而，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電的市場(chǎng)規(guī)模前景十分廣闊。據(jù)PikeResearch預(yù)計(jì)，到2017年我國(guó)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(chǎng)。目前，國(guó)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(guó)內(nèi)已經(jīng)掌握了兆瓦級(jí)海上風(fēng)電機(jī)組的核心技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)實(shí)力增強(qiáng)。湘電集團(tuán)5MW永磁直驅(qū)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)成功下線，攻克了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)集成、專有單主軸承同步永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)；華銳風(fēng)電科技集團(tuán)自主研發(fā)的6兆瓦風(fēng)電機(jī)組于2011年6月下線，該機(jī)組采用永磁直驅(qū)技術(shù)，成為為國(guó)內(nèi)最大風(fēng)機(jī)機(jī)組。此外，在風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)方面，也取得了一系列進(jìn)展。

在示范項(xiàng)目方面，上海東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目是歐洲之外第一個(gè)海上風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目，該項(xiàng)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(tuán)自主研發(fā)的34臺(tái)3兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組。

整體來(lái)看，為了搶占海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)與做法，上海乃至國(guó)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(gè)方面進(jìn)行突破：一是加大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度。目前國(guó)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(jī)組零部件，但齒輪箱和軸承仍基本依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品故障率較高。此外，國(guó)產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以雙饋異步電機(jī)為主，陸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)就曾因?yàn)檩敵龉β什环€(wěn)定多次出現(xiàn)斷網(wǎng)事故，而代表未來(lái)發(fā)展方向的同步直驅(qū)電機(jī)已經(jīng)研制但尚未大規(guī)模生產(chǎn)。二是強(qiáng)化示范運(yùn)營(yíng)。國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電機(jī)組制造商引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，起步較高，但缺乏真正商業(yè)運(yùn)行考驗(yàn)，尤其是體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)輸安裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面缺乏配套服務(wù)手段，亟需選擇合適項(xiàng)目進(jìn)行示范運(yùn)營(yíng)，積累經(jīng)驗(yàn)。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(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)制定了規(guī)范，但國(guó)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(jià)和跨區(qū)過(guò)網(wǎng)費(fèi)用機(jī)制仍然是政策空白。四是加強(qiáng)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(qiáng)度小等優(yōu)勢(shì)來(lái)抵消巨大的投資成本，準(zhǔn)確分析、預(yù)測(cè)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)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(guó)還沒(méi)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(xiàng)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