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)對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。“十一五”到“十二五”期間，我國風(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)能理事會統(tǒng)計，2017年，我國風(fēng)電新增裝機容量達19.5GW，累計裝機容量達188.2GW，占全球風(fēng)電總裝機量的35%。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年，我國風(fēng)電裝機量占全國發(fā)電裝機總量的9.2%，風(fēng)電的年發(fā)電量占全國發(fā)電總量的4.8%。
我國開展風(fēng)電技術(shù)研發(fā)已有40多年的歷史，與歐美國家同時起步，早期主要由科研機構(gòu)和大專院校進行樣機研究和試制，在“九五”和“十五”期間，我國首批風(fēng)電整機制造企業(yè)初步掌握了定槳距機組總體設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆晃濉币詠?，隨著國家陸續(xù)制定出臺了促進風(fēng)電等可再生能源發(fā)展的相關(guān)法規(guī)和扶持政策，眾多國內(nèi)外企業(yè)大舉投入中國風(fēng)電制造業(yè)，通過引進生產(chǎn)許可證、建立合資企業(yè)、開展自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)等手段，研制兆瓦級以上風(fēng)電機組產(chǎn)品。經(jīng)過一定時期的風(fēng)電機組技術(shù)引進和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)風(fēng)電整機制造企業(yè)對風(fēng)電技術(shù)開發(fā)的路線圖、關(guān)鍵要素和潛在風(fēng)險的認識日益深入，開發(fā)出若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機型，在單機容量上也逐漸接近國際領(lǐng)先水平。
我國風(fēng)電企業(yè)通過引進消化吸收和再創(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)電機組開發(fā)方面取得了突破性進展，處于全球領(lǐng)先地位，在大容量機組開發(fā)上也基本實現(xiàn)了與世界同步。這些成就，既保證了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，也為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從大到強的跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
為適應(yīng)我國中東部和南部地區(qū)巨大的低風(fēng)速資源，近年來很多整機設(shè)備廠商紛紛推出高塔筒和長葉片等方案，在技術(shù)開發(fā)的過程中借鑒了歐洲廠商的經(jīng)驗，但也有不少是我國的設(shè)備廠商因地制宜，根據(jù)國內(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)出我國整機設(shè)備廠商在技術(shù)路線方面已經(jīng)開始具備一定的自主創(chuàng)新能力。
我國在風(fēng)電機組領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和共性技術(shù)研究方面相對不足，風(fēng)電機組設(shè)計軟件及載荷評估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產(chǎn)品，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風(fēng)電機組認證規(guī)則及國際電工委員會（IEC）提出的IEC61400系列風(fēng)電機組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求進行，未充分考慮到我國風(fēng)能資源、自然環(huán)境和電網(wǎng)接納方式的特殊性。國外風(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。從長期來看，風(fēng)電是一個對設(shè)備可靠性要求非常高的資金與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，從全球范圍來看，由于風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和資金門檻的提高，行業(yè)集中度也在不斷提高。
二、風(fēng)電機組技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
?。ㄒ唬┐笮惋L(fēng)電機組整機設(shè)計與制造發(fā)展現(xiàn)狀
1.大型風(fēng)電機組的開發(fā)
在市場需求和競爭的推動下，中國大型風(fēng)電機組開發(fā)技術(shù)升級和國際化進程不斷加快。當(dāng)前我國1.5~4MW風(fēng)電機組已形成充足的供應(yīng)能力，部分機組制造商的5~6MW風(fēng)電機組樣機也已下線。
目前，國外主要的整機制造商已經(jīng)完成4~7MW級風(fēng)電機組的產(chǎn)業(yè)化，8~10MW級的風(fēng)電機組樣機已掛機，歐美整機設(shè)計公司均進入到10MW級整機設(shè)計階段。維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)公司（Vestas）和德國Senvion公司都發(fā)布了將開發(fā)200m左右葉輪直徑的10MW風(fēng)電機組的計劃，2018年美國通用電氣公司宣布將在3年內(nèi)完成12MW海上風(fēng)電機組的開發(fā)。
在全球范圍內(nèi)，歐洲海上風(fēng)電發(fā)展起步最早，裝機規(guī)模占比最高。2017年，歐洲新增海上風(fēng)電裝機量即達到了3GW，迎來井噴式的增長。這說明歐洲廠商通過多年的實踐，積累了豐富的設(shè)計和工程經(jīng)驗，對于海上風(fēng)電投資回報和風(fēng)險控制具有充分的信心。
目前，歐洲6MW海上風(fēng)電機組已形成產(chǎn)業(yè)化能力并實現(xiàn)批量裝機，8MW海上風(fēng)電機組進入樣機試運行階段，更大容量的海上風(fēng)電機組也已經(jīng)開始進行設(shè)計。在海上風(fēng)電機組基礎(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、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)驗的壁壘比陸上風(fēng)電更為顯著，美國西門子公司、西班牙歌美颯集團在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。
我國已有少量海上風(fēng)電場投入運行，由于缺少海上風(fēng)電場示范經(jīng)驗，尚未完全掌握風(fēng)電機組的設(shè)計開發(fā)與整個海上風(fēng)電工程設(shè)計的協(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)計成本難以降低，加之機組的可靠性仍未得到充分驗證，海上風(fēng)電的投資回報存在較大的不確定性。因而，需要通過對風(fēng)電機組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實現(xiàn)風(fēng)電機組與海上風(fēng)電工程設(shè)計的整體優(yōu)化，避免各部件單獨設(shè)計導(dǎo)致過剩及浪費，有效降低海上風(fēng)電度電成本。
2.零部件配套
在風(fēng)電機組零部件配套方面，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成包括葉片、塔筒、齒輪箱、發(fā)電機、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，除配套國產(chǎn)整機廠商外，部分零部件也對國外廠商有少量配套。但是，在高性能軸承、油脂、傳感器、控制器等方面，國產(chǎn)零部件尚不能實現(xiàn)對進口零部件的完全替代。
我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域各類零部件在工程應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗，但在設(shè)計原理和優(yōu)化方法、新材料和新工藝的運用、零部件開發(fā)過程中的多物理場仿真和全性能驗證測試、高性能零部件的品質(zhì)管控等方面仍然存在短板，在機組控制技術(shù)和整機、零部件具體運行性能關(guān)聯(lián)性的研究方面尚存在很大不足。
總體來看，我國風(fēng)電整機和零部件配套行業(yè)不同程度地存在著大而不強、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，在長期可靠性、產(chǎn)品一致性方面與部分進口產(chǎn)品尚存在差距。多數(shù)零部件廠商在考慮設(shè)計開發(fā)和工程應(yīng)用時多著眼于自身，在系統(tǒng)性認識和產(chǎn)業(yè)鏈深度合作方面仍需要進一步加強。
3.風(fēng)電試驗平臺
國外風(fēng)電實驗室大多覆蓋風(fēng)能資源評估、風(fēng)電機組現(xiàn)場測試、傳動鏈平臺測試、風(fēng)電并網(wǎng)仿真等領(lǐng)域。如美國國家可再生能源實驗室（NREL）建立了不同時間尺度的風(fēng)能資源預(yù)測模型、7MVA多功能電網(wǎng)擾動模擬裝置、5MW風(fēng)電機組傳動鏈測試平臺等研究平臺，具有國際先進水平的風(fēng)電/光伏發(fā)電設(shè)備及零部件的試驗研發(fā)能力；丹麥國家可再生能源實驗室（DTU/RIS?）在風(fēng)能領(lǐng)域的研究包括風(fēng)能資源評估與微觀選址、風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電并網(wǎng)與控制、海上風(fēng)電、空氣動力學(xué)研究和設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性、遙感和試驗、邊界層氣象與湍流、材料等。
我國目前僅有部分風(fēng)電企業(yè)建設(shè)有自己的動力試驗平臺，但是測試功能相對單一，不具備公共性和獨立性，各廠商大多根據(jù)自身的經(jīng)驗、認識和產(chǎn)品開發(fā)的側(cè)重點來開展研究性試驗，開放交流顯著不足。
2010年，我國在張北建立了國家風(fēng)電技術(shù)檢測與研究中心，借助公共試驗場開展了一系列風(fēng)電設(shè)備的現(xiàn)場運行性能和電網(wǎng)適應(yīng)性測試，為我國提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力和加快規(guī)?；l(fā)展提供了有效助力。我國適合開發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域集中在東南沿海，具有臺風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點。目前我國針對上述風(fēng)電應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)性的專業(yè)檢測技術(shù)能力尚未形成，亟需加強相關(guān)檢測能力建設(shè)。而歐美針對海上風(fēng)電場在建設(shè)和運行期間對水文、電網(wǎng)、氣象、生物等影響已開展了多項檢測研究活動，并且開發(fā)出一系列專用測試設(shè)備。
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