國內外海上風力發電設備產業發展新態勢及啟示

執筆人/楊榮斌

國內外海上風力發電設備產業發展新態勢及啟示

執筆人/楊榮斌

海上風力發電是人類開發利用海洋、發展低碳經濟的重要途徑

隨著20世紀90年代陸上風力發電場進入大規模商業化應用，發達國家及大型的風力發電設備制造企業開始將目光聚焦到海上風力發電，開展了積極的規劃部署和示范應用，推動了海上風力發電技術發展和相關市場的拓展。進入21世紀以后，因相關領域一些關鍵技術的重大突破，全球海上風力發電設備總裝機容量和市場規模迅速增長，海上風力發電設備產業的發展前景更加廣闊。

海上風力發電正成為各國政府的支持重點

為推進海上風力發電產業的發展，發達國家制定了詳細的產業扶持政策，涵蓋了前期示范應用、立法保障、資源普查、風電設備生產補貼、風電上網補貼到過網費用機制等各個環節，為海上風力發電的發展掃清了障礙。

一是通過立法確立海上風電在新能源產業中的地位。20世紀末以來，歐洲各國在電力市場化的改革進程中同步確立了海上風力發電的法律地位。丹麥于1996年開始建設示范性海上風電場，根據示范性應用考查結果制定了《能源戰略2025》，認為海上風電是丹麥未來風力發電的主要方向，并于1999年向私人投資者開放了海上風力發電領域。德國和西班牙則分別于2004年和2007年通過立法認可了海上風力發電技術，海上風電建設項目開始爆炸性增長。

二是采取政策性補貼、擔保和低息貸款手段扶持海上風電設備制造業。如丹麥是歐洲海上風力發電最為發達的國家之一，為海上風力發電設備制造業提供了大量優惠政策，主要包括從1981年開始執行的風電設備生產補貼（后并入二氧化碳稅補貼），以及對安裝丹麥風電機組的項目給予建設補貼，還有為項目建設提供擔保和低息貸款的優惠政策。2011年，美國也發布了《國家海上風電戰略：創建美國海上風電產業》，提出在五年內投資5050萬美元支持海上風電技術研發和克服市場障礙。

三是研究制定設備標準。歐盟要求各國分享已經取得的海上風電的經驗和教訓，協調各個風機制造商聯合進行技術研發并盡可能形成規模化海上風電的開發，同時著手制定海上風力發電設備的標準和認證體系，以及統一的海上風電聯網機制，加強知識共享與合作研發。基于歐盟的統一要求，歐洲各國還相繼推出了各自的政策。

四是制定激勵性的電力上網定價機制。電力上網定價機制直接決定了海上風力發電企業的積極性。西班牙實行固定電價和溢價機制相結合的方式，由海洋風電企業自主選擇，無論在未來電力銷售價格上升或下降時都能保護海洋風力發電企業的利益。德國《可再生能源法》在2009年修訂后規定海洋風電上網價格從每千瓦時8.92歐分上調至13～15歐分，在此基礎上未來每年調低5%，目的是為海洋風電產業設置保護期，同常規能源發電競爭爭取時間。

五是完善硬件基礎設施。海洋風力發電受風力資源的限制，發電量的瞬時變化會對接入電網的安全性、平穩運行產生重大影響。丹麥和西班牙是歐洲風電入網比例最高的兩個國家，都超過總電網的15%。為了保障電網安全，丹麥通過建設跨國電網向別國出口或進口實現風力發電的動態調節，西班牙則通過較常規發電方式更為寬松的入網要求（只有當風力發電企業發電量與預測量相差超過20%時才需支付罰款，常規發電方式的限度則是5%）約束風力發電企業提高發電預測精度，保障電網運行安全。

市場規模快速擴張，歐美發達國家掌控主流市場

2010年全球海上風力發電裝機總容量達到3117.6兆瓦，新增1161.7兆瓦，其中歐洲海上風電累計裝機容量為2946.2兆瓦，占全球市場的95%，占全球新增容量的76%，較上一年增長了51%。歐洲風能協會預計2011年還將有1000至1500兆瓦的海上風電將在歐洲并網，在建的10個海上風電場建成后，歐洲海上風電裝機容量將達到6200兆瓦，占到目前可開發潛能19000兆瓦的33%。目前，海上風電設備的主要生產廠商是德國的Siemens、REpower、Multibrid、Nordex、Enercon，丹麥的Vestas，芬蘭的WinWinD和美國的GEWind。其中德國Siemens和丹麥Vestas是風機的兩大巨頭，GE則幾乎壟斷了美國市場。截至2010年，Siemens和Vestas分別安裝海上風電機組386臺和349臺，是全球最大的兩大制造商。

關鍵技術相繼取得突破，未來發展方向逐步清晰

海上風力發電設備和機組主要是由葉片、驅動系統、控制系統和發電系統四大模塊構成。近年來，由于大型風力發電機組運行可靠性問題己經基本解決，國際上將風電機組開發的重點逐步轉移到了高效率、高性能的數兆瓦級實用型商品化機型。目前，近海風電機組主要有Vestas公司的2MW、3MW風電機組，Siemens公司的2.3MW、3.6MW風電機組，GE公司的3.6MW風電機組，德國Repower公司的5MW風電機組和德國Multibread公司的5MW半直驅風電機組。

此外，德國Enercon公司已經開發了6MW的近海風電機組（葉片直徑127m）。綜合分析海上風電技術的發展熱點和主要公司的研發重點，四大模塊的未來發展趨勢如下：一是葉片技術的主攻方向是外形設計和新材料應用。葉片技術是風力發電機組的核心技術之一。為獲得更大的風輪直徑和相同額定功率下更低的額定轉速，海上大型風機葉片翼型基本都是對梯形葉片進行優化。未來在大尺寸葉片方面，需要對葉片翼型進行更加精確的計算和設計。同時，風機葉片材料的強度和剛度是決定風力發電機組性能優劣的關鍵。目前大型海上風機葉片主要采用高強輕質的碳纖維復合材料，未來含有碳纖維與玻璃纖維層壓制品將成為兆瓦級風葉片的換代產品。此外，竹質綠色環保葉片已成為該領域的一個熱點方向。二是驅動系統發展的重點是齒輪箱的制造設計與監測。驅動系統齒輪箱是影響和制約風力發電發展的關鍵技術，而齒輪箱和軸承的強度壽命和變載荷能力是風力發電機組性能的主要指標之一。目前主要發展方向是在設計方面簡化齒輪箱和軸承結構以提高可靠性，在制造方面提高原材料純凈度和改進工藝流程，在產品檢測方面優化狀態監控手段，提供實時信息以保障機組穩定運行。三是控制系統突破的關鍵在于風機狀態實時檢測和軟件處理模式研究。未來風電控制技術將主要通過風機自主收集載荷數據，將設計目標與實際載荷相比較“感知”健康狀況，根據控制策略和自主容錯技術“防范”風機故障，從根本上保證風機系統的自主運行和平穩功率輸出，減少載荷波動。四是發電系統研究的重要方向是永磁直驅同步電機。感應雙饋異步電機和永磁直驅同步電機是兩類主要的風力發電機技術，前者是風電行業的主流機型，后者則代表著風力發電產品發展的趨勢。永磁直驅技術能大幅減少直驅風電機組的空間尺寸，并在并網發電后較雙饋異步技術更容易滿足“低電壓穿越”要求，有利于保證整個電網的穩定性。隨著采用一級行星齒輪和適當增速比的“半直驅”技術于近年出現，永磁體及變流成本降低以及安全可靠性提高，“直驅”及“半直驅”將成為研發和生產的熱點。

上海東海大橋海上風電項目是歐洲之外第一個海上風電并網項目，該項目位于東海大橋東側的上海市海域，全部采用華銳風電科技集團自主研發的34臺3兆瓦海上風電機組。

國內發展起步較晚，亟待奮起直追

國內海上風電開發剛剛起步，截至2010年總裝機容量為106兆瓦，只占世界海上風電市場很小的份額。然而，國內海上風電的市場規模前景十分廣闊。據PikeResearch預計，到2017年我國海上風電發電能力將達到11.7GW，成為世界第二大海上風電市場。目前，國內的海上風電技術和產業發展已經具備了一定的基礎。在技術研發方面，國內已經掌握了兆瓦級海上風電機組的核心技術，風電機組技術實力增強。湘電集團5MW永磁直驅海上風力發電機成功下線，攻克了海上風力發電機組整機集成、專有單主軸承同步永磁發電機設計等多項技術難關；華銳風電科技集團自主研發的6兆瓦風電機組于2011年6月下線，該機組采用永磁直驅技術，成為為國內最大風機機組。此外，在風電并網技術方面，也取得了一系列進展。

在示范項目方面，上海東海大橋海上風電項目是歐洲之外第一個海上風電并網項目，該項目位于東海大橋東側的上海市海域，全部采用華銳風電科技集團自主研發的34臺3兆瓦海上風電機組。

整體來看，為了搶占海上風電技術和產業發展機遇，學習借鑒發達國家和地區的經驗與做法，上海乃至國內的海上風電技術和產業的發展亟待從以下幾個方面進行突破：一是加大關鍵技術的研發力度。目前國內已能夠制造除齒輪箱和軸承以外的其他海上風電機組零部件，但齒輪箱和軸承仍基本依賴進口，國內產品故障率較高。此外，國產風力發電機組以雙饋異步電機為主，陸上風力發電場就曾因為輸出功率不穩定多次出現斷網事故，而代表未來發展方向的同步直驅電機已經研制但尚未大規模生產。二是強化示范運營。國內海上風電機組制造商引進國外的技術和經驗，起步較高，但缺乏真正商業運行考驗，尤其是體現在風電場設計、設備運輸安裝和運營維護等方面缺乏配套服務手段，亟需選擇合適項目進行示范運營，積累經驗。三是完善相關政策配套。當前，《海上風電開發建設管理暫行辦法》對海上風電場建設制定了規范，但國家能源局主持編制的《風電標準體系框架》尚未頒布，海上風電設備制造的企業準入和產品標準以及海上風電上網電價和跨區過網費用機制仍然是政策空白。四是加強近海風能資源配套調查。海上風力發電以風速高、風功率密度大、湍流強度小等優勢來抵消巨大的投資成本，準確分析、預測海上風電場風能資源對海上風電場的建設乃至海洋風電設備制造業發展至關重要。但是我國還沒有高分辨率的近海風能資源圖譜，限制了海上風電產業發展。

本課題研究受上海市科技發展基金軟科學研究項目資助，文章由上海科技發展研究中心提供，原文刊載于《科技發展研究》2011年第10期