風(fēng)力發(fā)電蓬勃發(fā)展拉動(dòng)稀土磁體需求

● 王春筍 張安文/文

一、風(fēng)能

風(fēng)能是一種潛力大、清潔無公害的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電是指利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。在風(fēng)能的各種利用形式中，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型(包括家用型)才會(huì)擁有尾舵。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能;尾翼使葉片始終對(duì)著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能;轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能;機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約每秒3 米的微風(fēng)速度，便可以開始發(fā)電。但從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，風(fēng)速大于每秒4 米才適宜于發(fā)電。據(jù)測(cè)定，一臺(tái)55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速為每秒5 米時(shí)，機(jī)組的輸出功率僅為9.5 千瓦；風(fēng)速為每秒6 米時(shí)，輸出功率16 千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒8 米時(shí)，功率為38 千瓦；而風(fēng)速為每秒9.5 米時(shí)，機(jī)組的輸出功率為55 千瓦，由此可見，風(fēng)力愈大，經(jīng)濟(jì)效益也愈大。

風(fēng)力發(fā)電具有清潔、環(huán)境效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活等優(yōu)點(diǎn)，但它也有噪聲、視覺污染、占用大片土地、目前成本略高和影響鳥類棲息遷徙等缺點(diǎn)。

二、風(fēng)能市場(chǎng)

在全球節(jié)能減排和碳中和的綠色發(fā)展趨勢(shì)下，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源由于不需要使用燃料，且也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，正在成為替代傳統(tǒng)化石燃料的選項(xiàng)之一，風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮。

全球風(fēng)能蘊(yùn)藏量遠(yuǎn)超過石油、煤炭的蘊(yùn)藏量，地球上可以利用的風(fēng)能被認(rèn)為比可開發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。全球風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)潛力=全球電力需求40 倍。

中國的風(fēng)力資源極為豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約1000 GW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約253GW(以陸地上離地10m 高度計(jì)算)，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約750 GW。而且，中國風(fēng)力資源的分布面非常廣，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每秒3 米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風(fēng)速更大;有的地方，一年三分之一以上的時(shí)間都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，利用風(fēng)能具有得天獨(dú)厚的條件。

縱觀中國風(fēng)電的發(fā)展歷程，在2006年前中國風(fēng)力發(fā)電處于萌芽和起步階段。2006年，中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.60GW，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。2007年我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，截至2007年底全國累計(jì)裝機(jī)容量約6 GW。

2008年，中國風(fēng)電裝機(jī)總量超過7GW，占中國發(fā)電總裝機(jī)容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進(jìn)入可再生能源大國行列。同時(shí)也開啟了國內(nèi)風(fēng)電白熱化建設(shè)的時(shí)代。2009年，中國新增風(fēng)電機(jī)組10129 臺(tái)，容量13.8 GW，同比增長(zhǎng)124%;累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組21581 臺(tái)，容量25.8 GW。

此后10年間，中國風(fēng)電裝機(jī)容量大體呈現(xiàn)逐年穩(wěn)步遞進(jìn)的態(tài)勢(shì)。2019年，中國新增風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量25.74GW，其中陸上新增并網(wǎng)裝機(jī)容量23.76GW，海上新增并網(wǎng)裝機(jī)容量1.98GW。截至2019年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)209.94GW，自2009年以來一直保持世界第一，占全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)量的32.24%，圖1 所示為2005 至2020年間中國風(fēng)電裝機(jī)總量和新增風(fēng)電裝機(jī)量的發(fā)展軌跡。

圖1 中國風(fēng)電總裝機(jī)量和各年新增裝機(jī)量統(tǒng)計(jì)(GW)

國家能源局2021年1月20 日公布了2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，2020年新增并網(wǎng)裝機(jī)容量71.67GW，創(chuàng)下歷史新高，超過2017（15.03GW）、2018（20.59GW）和2019年（25.74GW）三年新增并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模的總和61.36GW，但是根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年1～11月新增風(fēng)電裝機(jī)24.62GW,這意味著僅2020年12月的風(fēng)電新增裝機(jī)容量高達(dá)47.05GW，比2018、2019 兩年裝機(jī)總和還要多，參見圖2 所示的2020年1～12月中國新增風(fēng)電裝機(jī)量。

圖2 2020年風(fēng)電月新增裝機(jī)容量（GW）

補(bǔ)貼退坡刺激及海上風(fēng)電發(fā)展提速的雙重影響是造成12月裝機(jī)容量突然猛增的原因。2019年5月25 日，國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，其中明確：2018年底之前核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項(xiàng)目，2020年底前仍未完成并網(wǎng)的，國家不再補(bǔ)貼。在去補(bǔ)貼政策刺激下，風(fēng)電行業(yè)陷入了瘋狂“搶裝”。為確保項(xiàng)目收益，風(fēng)電和光伏開發(fā)商竭盡全力要在2020年底并網(wǎng)，所以2020年12月的風(fēng)電新增裝機(jī)數(shù)據(jù)并不具有常態(tài)數(shù)據(jù)的意義。

2020年12月風(fēng)電新增裝機(jī)量的井噴也使我國2020年風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總量從2019年剛超過2 億千瓦(200GW)，直接增長(zhǎng)到接近3 億千瓦(300GW)，而風(fēng)電和光伏累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘扛哌_(dá)5.3 億千瓦(530GW)。截至2020年底，全國電力總裝機(jī)容量約22 億千瓦(2200GW)，也就是說，風(fēng)電和光伏裝機(jī)占比已經(jīng)高達(dá)24%，也意味著高比例新能源電力時(shí)代已逐步來臨。2020年風(fēng)電、光伏新增裝機(jī)接近1.2 億千瓦(120GW)，約占全國新增發(fā)電裝機(jī)的62.8%，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量，均居世界首位。

2020年風(fēng)電發(fā)電量4665 億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)約15%，幾乎相當(dāng)于4個(gè)三峽電站2020年的發(fā)電量！2008～2020年中國風(fēng)電發(fā)電量數(shù)據(jù)參見圖3。

圖3 2008～2020年中國風(fēng)力發(fā)電量（GW-h）

三、風(fēng)電布局

從風(fēng)電建設(shè)的布局結(jié)構(gòu)來看，過去風(fēng)電開發(fā)主要集中在風(fēng)資源較好的“三北”地區(qū)，隨著近幾年大兆瓦機(jī)組、長(zhǎng)葉片、超高塔筒等應(yīng)用推廣，平原地區(qū)、低風(fēng)速地區(qū)也具備了開發(fā)條件。2020年風(fēng)電新增裝機(jī)中，中東部和南方地區(qū)占比約40%。（“三北”地區(qū)指我國的東北、華北和西北地區(qū)，東北包括黑龍江、吉林、遼寧；華北包括北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古；西北包括陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆。）

中東部和南方風(fēng)電建設(shè)的增加是海上風(fēng)電份額逐漸提升的主要原因。近年來，由于我國陸上風(fēng)電的建設(shè)技術(shù)已日趨成熟，加之海上風(fēng)電資源更為廣闊，開發(fā)條件好，國家風(fēng)電發(fā)展政策逐漸向海上發(fā)電傾斜。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013年以來，我國海上風(fēng)電市場(chǎng)份額穩(wěn)步提升，2013年，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為0.45GW，僅占總體風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量的0.58%，到2020年，增長(zhǎng)至3GW，占總體的4.23%。2020年，三北地區(qū)新增裝機(jī)與中東部和南方地區(qū)新增裝機(jī)持平;利用水平進(jìn)一步提升，風(fēng)電利用率97%，同比提升1 個(gè)百分點(diǎn)。未來五年，海上風(fēng)電有能力實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、平價(jià)化發(fā)展。圖4 所示為2013～2020年中國陸上風(fēng)電與海上風(fēng)電的新增裝機(jī)比例。

圖4 2013～2020年中國陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電新增裝機(jī)比例（%）

在開發(fā)成本方面，發(fā)展到目前階段，風(fēng)電的性價(jià)比正在形成與煤電、水電的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)在于:裝機(jī)能力每增加一倍，成本就下降15%，從多年前風(fēng)力發(fā)電最便宜八毛錢一度，有的甚至要兩元左右，降到如今我國大部分地區(qū)尤其是新建的風(fēng)電陸上項(xiàng)目不再需要補(bǔ)貼，風(fēng)資源好的一些地方，價(jià)格甚至比煤電還低。目前在我國“三北”地區(qū)，風(fēng)電電價(jià)已基本實(shí)現(xiàn)為0.16 元，已具備與火電比拼成本階段。到2023年“三北”風(fēng)電成本有望實(shí)現(xiàn)0.1元左右。

從風(fēng)機(jī)的制造商角度講，中國風(fēng)機(jī)整機(jī)制造產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)集中度穩(wěn)步提高，前五大整機(jī)制造商吊裝容量高達(dá)21.7GW，共占據(jù)76%市場(chǎng)份額。金風(fēng)科技，遠(yuǎn)景能源，明陽智慧能源穩(wěn)居前三，運(yùn)達(dá)風(fēng)電、上海電氣分列第四、第五。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，中國已經(jīng)擁有世界上1/3 的風(fēng)力發(fā)電、全球十大風(fēng)力渦輪機(jī)制造商中的4 家。表1 列舉了中國市場(chǎng)上的主要風(fēng)機(jī)制造商。

表1 中國市場(chǎng)主要風(fēng)機(jī)制造商

四、稀土永磁在風(fēng)電中的應(yīng)用

中國風(fēng)力發(fā)電的蓬勃發(fā)展得益于將稀土永磁材料和技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在傳動(dòng)鏈中不含有增速齒輪箱，僅僅依靠增加磁極對(duì)數(shù)使得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下降達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)省去了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，即所謂的直驅(qū)，減小了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并降低噪聲；它不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，磁繞組轉(zhuǎn)子上也沒有集電環(huán)和電刷，因此具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高、可靠性好、變速運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用全功率的交-直-交變頻技術(shù)，與電網(wǎng)隔離，具有低電壓穿越能力，對(duì)電網(wǎng)友好，易于并網(wǎng)。

在風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低是稀土永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到越來越多市場(chǎng)青睞的制勝優(yōu)勢(shì)，使之成為重要風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，逐漸在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。尤其適合用于單機(jī)容量比較小的風(fēng)場(chǎng)，能夠高效并網(wǎng)發(fā)電，以及風(fēng)力資源豐富但電力設(shè)施匱乏、交通不便的地區(qū)，例如為高速公路照明設(shè)備提供電源等。

2008年新疆金風(fēng)科技股份有限公司生產(chǎn)出數(shù)百臺(tái)1.5MW 的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，中國的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體水平已走在世界前列。稀土永磁發(fā)電機(jī)的使用量逐年增長(zhǎng)，圖5 所示的是2015～2020年中國新增永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組的用量。

圖5 2015～2022年中國永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)新增裝機(jī)容量（GW）

永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組安裝量的穩(wěn)步增長(zhǎng)也進(jìn)一步推動(dòng)了稀土永磁體在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的增長(zhǎng)，2013～2020年中國新增風(fēng)電裝機(jī)量以及稀土在風(fēng)電領(lǐng)域消費(fèi)量的參照對(duì)比見圖6。舉例而言，金力永磁是國內(nèi)有代表性的為風(fēng)力發(fā)電企業(yè)提供永磁體的磁材制造商，根據(jù)其公司2020年半年度報(bào)告，金立永磁2020年上半年在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域收入達(dá)到3.76 億元。

圖6 2013～2020年中國新增風(fēng)電裝機(jī)量及稀土在風(fēng)電領(lǐng)域消費(fèi)量參照對(duì)比

五、發(fā)展趨勢(shì)

風(fēng)電行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)將是不可逆轉(zhuǎn)的。按照“十四五”規(guī)劃中清潔低碳、安全高效的能源發(fā)展方向，中國將推動(dòng)水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿瓤稍偕茉聪蚋笠?guī)模、更高比例、更高質(zhì)量、更低成本發(fā)展，同時(shí)與儲(chǔ)能、氫能等產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。根據(jù)《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書，中國將兌現(xiàn)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾，實(shí)現(xiàn)到2030年“風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12 億千瓦以上”的目標(biāo)。根據(jù)國際能源署的估算，未來20年，中國將在低碳發(fā)電和其他清潔能源技術(shù)方面投資預(yù)計(jì)超過6 萬億美元。中國在清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施方面的支出已超過了美國和歐盟的總和。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，到2023年，可再生能源預(yù)計(jì)將占到全球新增發(fā)電量的70%以上。考慮到全球約50%的能源可能來自太陽能和風(fēng)能，中國似乎有望成為世界上第一個(gè)清潔能源超級(jí)大國。

中國目前已開發(fā)的風(fēng)能資源僅占其蘊(yùn)藏量的不足5%，而且風(fēng)電相對(duì)于光伏有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，是同樣發(fā)電效率和發(fā)電量，光伏占地面積是風(fēng)電的200～500 倍，因此未來風(fēng)力發(fā)電建設(shè)還有更廣闊的發(fā)展空間。據(jù)國家能源局新能源和可再生能源司副司長(zhǎng)任育之表示，接下來要以更大力度推動(dòng)風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展，推進(jìn)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，繼續(xù)健全完善風(fēng)電產(chǎn)業(yè)政策、促進(jìn)風(fēng)電容量消納、推動(dòng)規(guī)劃政策協(xié)同以及體制和機(jī)制創(chuàng)新，為風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

最近約400 家風(fēng)能企業(yè)，發(fā)表了“風(fēng)能北京宣言”，提出在“十四五”規(guī)劃中，應(yīng)為風(fēng)電設(shè)定與碳中和國家發(fā)展戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間：保證年新增裝機(jī)大于5000 萬千瓦。“宣言”認(rèn)為今后以零碳為目標(biāo)的中國投資市場(chǎng)將集中于六大領(lǐng)域，即循環(huán)經(jīng)濟(jì)，氫能、數(shù)字化、儲(chǔ)能、零碳發(fā)電技術(shù)、終端消費(fèi)電器化。風(fēng)電和光伏發(fā)電是零碳發(fā)電技術(shù)的重要措施。“宣言”提出2025年后年新增裝機(jī)容量大于6000 萬千瓦，2030年風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到8億千瓦，2060年達(dá)到30 億千瓦。

在這個(gè)意義上說，作為風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要部件材料，稀土永磁體的市場(chǎng)未來也必定會(huì)隨之有大幅的增長(zhǎng)。