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回顾丨中国风电技术40年进展及趋势!

北极星风力发电网  来源:《太阳能》  作者:姚兴佳 刘颖明 宋筱文  2018/4/3 9:17:07  我要投稿  

北极星风力发电网讯:对我国风电技术的发展历程进行了回顾和讨论,分别从基础研究、技术研发、整机研制、零部件配套等方面总结其取得的进展,同时对目前面临的关键问题也进行了探讨,并对未来我国风电技术的发展趋势进行了展望。

引言

风电是资源潜力巨大、技术较为成熟的可再生能源,在减排温室气体、应对气候变化的新形势下,越来越受到世界各国的重视,并已在全球大规模开发利用。“十一五”到“十二五”期间,我国风电经历了飞速发展的10年,成为国内继火电、水电之后的第三大电源。2015年我国风电新增装机量达36万kW,累计装机量为101万kW,排名从世界第5位跃升至第4位;截至2015年底,我国风电累计并网容量达1.45亿kW,占全国发电装机容量的9.6%。(备注:该文发表时间较早,故相关数据比较滞后。最新官方数据显示,截止到2017年底,我国风电并网容量已经达到1.64亿千瓦。)

随着风电市场规模的迅速扩大,我国风电设备制造技术进一步提高,一个具有竞争力的较为完整的产业链体系已初步形成,涵盖原材料加工、零部件制造、整机制造、开发建设、技术研发、标准和检测认证体系等各个环节。风电机组设备制造基本上实现了系列化、标准化和型谱化,机型涵盖双馈、直驱和混合式,单机容量从1.5MW迅速发展到目前最大的6MW级,并实现了从陆地风电到海上风电的跨域。

我国风电技术水平不断提高,通过引进消化吸收和再创新,基本掌握了风电行业关键核心技术,并且在适合低风速风况和恶劣环境风电机组开发方面取得了突破性进展,处于全球领先地位,在大容量机组开发上也实现了与世界同步。这些成就,既保证了我国风电产业的持续快速发展,也为我国风电产业实现从大到强的跨越式发展奠定了基础。

风电产业已经成为我国少数具有国际竞争力的高新技术产业之一,这也让我国迎来历史上难得的在风电领域与国际领先水平并驾齐驱的机会和形势。在高速发展过程中,我国建立起了具有国际先进水平的风电产业体系,具有自主知识产权的技术产品远销20多个国家和地区。此外,风电产业每年还吸引超过千亿元的投资,提供近50万个就业岗位,发挥着良好的社会综合效益。

随着“一带一路”和“中国制造2025”等国家战略的实施,我国风电制造企业也加快了高端装备制造“走出去”的步伐,为我国风电技术的广泛应用开辟了更为广阔的市场,带来了良好的发展机遇。

1、我国风电技术的进展

1.1 发展历程

我国开展风电技术研发已有40多年的历史,特别是经过近十年来的发展,快速走上了产业化的道路。早在20世纪80年代,我国就通过国家科技项目陆续支持研制过离网型和并网型风电机组,单机容量从15kW到200kW,但绝大部分未实现批量生产。

“九五”和“十五”期间,政府组织实施“乘风计划”、国家科技攻关计划,以及国债项目和风电特许权项目,支持建立了首批6家风电整机制造企业,进行风电技术的引进和消化吸收,其中部分企业掌握了600kW和750kW单机容量定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术,初步掌握了定桨距机组总体设计技术,实现了规模化生产,迈出了产业化发展的第一步。特别需要说明的是,“十五”期间,通过对国家“863”计划“兆瓦级变速恒频风电机组”重大招标项目的支持,我国完成了具有完全自主知识产权的1MW双馈式变速恒频风电机组和1.2MW直驱式变速恒频风电机组的研制,并于2005年并网发电,成功实现了兆瓦级变速恒频风电机组从无到有的重大突破,标志着我国风电技术跨入兆瓦级时代。

2006年,我国政府实施了《可再生能源法》,风电正式进入大规模开发应用的阶段。“十一五”期间,科技部针对我国风电整机技术水平低、自主研制能力差、产业不完整、可持续发展能力弱等亟待解决的重大问题,在已有1.0MW双馈式和1.2MW直驱式两种机型大功率风电机组设计、制造技术的基础上,由国家科技支撑计划立项,支持了“大功率风电机组研制与示范”重大项目,规划了风电整机成套设备、关键零部件、海上风电、标准规范体系等4个主要研究方向,由全国23家单位共同承担,基本囊括了当时行业内的骨干企业和科研单位。项目直接推动了中国风电配套产业链及其产品创新机制的建立、发展和完善。

随着国家陆续制定出台了促进风电等可再生能源发展的相关法规和扶持政策,众多国内外企业大举投入中国风电制造业,大多瞄准了风电整机制造,通过引进生产许可证、建立合资企业、开展自主研发或联合研发等手段,研制兆瓦级以上风电机组产品。据不完全统计,在2008年,进入风电整机制造业的国内企业一度多达80家,其中包含大量国有或国有控股的制造企业,涉及电力设备、航空航天和重工机械设备制造企业。这些大型企业利用自身相关技术和工业基础,通过联合设计或引入战略合作方从事发展风电机组的整机设计和制造。代表企业(产品)有:金风(1.5MW/750kW)、运达风电(1.5MW)、东方 电气(1.5MW)、华锐(1.5MW)、国电联合动力(1.5MW)、广东明阳(1.5MW)、上海电气(1.25MW)等。

经过一定时期的风电机组技术引进和产业化生产,国内风电整机制造企业对风电技术的复杂性和对产品研发挑战的认识日益深入,越来越多的企业形成了“在技术引进的基础上加快消化吸收进程、增强自主研发能力”的共识,这些企业大部分在引进的基础上进行了国产化的工作,并针对我国风资源的特点进行了适应性开发。另外,积极引进Bladed等国外先进的风电机组辅助计算设计工具,更多地采用联合设计和自主研制开发新产品。代表企业(产品)有:金风(1.5MW直驱)、浙江运达(1.5MW双馈)、上海电气(2MW双馈)、重庆海装(2MW双馈)、华锐(3MW双馈)等。

国有大型企业和民营企业与国内大学和研究机构合作自主研发机型,也取得了丰硕的成果。大学研究机构把依托国家科研项目形成的科研成果转让给企业,并为企业提供持续的研发和技术支持,形成高效的风电产—学—研联合发展机制。如沈阳华创依托沈阳工业大学风能技术研究所的技术研发基础,在1MW机组研制的基础上研制出具有自主知识产权的机组,包括1.5~7MW之间的三大系列数十种系列化机组产品。

目前,我国整机制造能力经过10年来的快速发展,开发出若干具有自主知识产权的机型,并得到风场的大规模应用和长时间的验证;3MW及以下兆瓦级机组总体设计及零部件制造技术已经成熟,正在开发更大单机容量的系列化产品。1.5MW、2MW风电机组的供应能力充足,3MW风电机组已批量运行,5~6MW风电机组也已投入运行。

上海电气3.6MW、湘电风能5MW、东方 电气5.5MW、海装风电5MW、太原重工5MW等海上风电机组陆续下线安装。在国家“863”计划支持下,华创7MW和运达5MW海上风电机组研发进入新阶段。截至2015年底,我国海上风电机组供应商达到10家,累计装机容量达到100MW以上的机组制造商有上海电气、华锐风电、远景能源、金风科技。目前我国单机容量最大的是6MW机组,除了原有联合动力和明阳风电的产品,金风科技也在2015年新增吊装一台6MW机组。

1.2技术研发

1.2.1基础研究

近年来,国家各类科技计划和基金项目对风电技术的基础研究给予了较多资助,表1为国家“973”计划、国家“863”计划和国家科技支撑计划资助的风电研发项目和课题的部分统计数据。

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)迄今共立项资助了4个以风电研究为主题的项目。其中,“大型风电机组的空气动力学基础研究”项目,针对兆瓦级风电机组叶片在空气动力学、气动弹性、气动噪声等基础方面的科学问题进行了探索,形成了兆瓦级风电机组叶片的自主设计能力。“大型风电机组的关键力学问题研究及设计实现”项目,针对多兆瓦级风电机组整机在气动载荷、非线性气动弹性、海上风电机组水动载荷与支撑结构等方面开展了研究,形成了多兆瓦级海上大型风电机组整机的自主设计能力。“大规模风力发电并网基础科学问题研究”项目,针对大规模风电的电力系统,开展远距离、大规模、高集中度的风电并网问题的基础理论和核心技术研究。国家高技术研究发展计划(“863”计划)在风电机组专用翼型设计、整机和关键部件开发、风电场电气控制、海上风电场建设、海上风电场送电与并网等方面对多个课题给予了资助。

据不完全统计,自2005年以来,国家自然科学基金资助的风能相关项目为370项,研究内容涵盖了风能利用的各个领域和方面。从项目年度分布来看(见图1),2010~2014年的资助项目占2005~2014年资助总项目数的81%,说明风能利用的科学和技术基础研究近年来得到了极大的重视。

从学术期刊论文的发表情况看,我国研究人员在风电机组性能计算、叶片设计、风特性分析、载荷分析、结构动力学分析、噪声分析、运行控制、传动链、变电和并网、发电量预测、储能技术、风场微观选址、海上固定式基础和浮式平台等多个方面发表了大量学术论文,研究主题几乎涵盖了风能利用技术的各个方面。

在我国风电产业大规模快速发展的背景下,风能利用研究受到国家和各科研机构的更多关注和支持,研究队伍逐年壮大,且形成了各自相对稳定的研究方向。南京航空航天大学、华北电力大学、汕头大学、中科院工程热物理所、中科院电工所、中国电力科学研究院、清华大学、西北工业大学、中国空气动力研究与发展中心、上海勘探设计研究院、上海交通大学、浙江大学、兰州理工大学、华中科技大学、河海大学、沈阳工业大学、南京工业大学、内蒙古工业大学、长沙理工大学等多家科研机构形成了自己的风能研究方向和人才队伍。

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