海上風電機組葉片的發展趨勢分析*

徐一波，鄢敉君，李 林

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

現今，人類社會發展正面臨著全球變暖、自然環境惡化、化石能源日益枯竭等諸多難題，二氧化碳等溫室氣體的不斷排放讓地球不斷吸收凈能量，使得地表溫度不斷上升。目前，地球上漲的地表溫度已經接近1.5 ℃。在過去的40 年中，極端天氣事件暴發愈發頻繁，這也可能加快地球生態系統的惡化甚至崩潰。人類社會的可持續發展，需要努力降低碳排放，力爭早日實現碳的“零排放”甚至“負排放”[1]。為此，大力發展清潔能源是形勢所迫、大勢所趨。黨的第十九次全國代表大會報告提出，要推進綠色發展，壯大清潔能源產業，打造清潔低碳環保、安全高效的能源體系[2]。在2020 年的第75 屆聯合國大會與氣候雄心峰會中，習近平主席表示，到2030 年時，各種一次能源的消費占比中，非化石能源要占到四分之一，風電和光電總的裝機容量至少要達到1 200 吉瓦時，CO2的排放要努力在2030 年之前到達最高點，力爭在2060年之前完成碳中和的最終目標。這些計劃都表明我國未來可再生清潔能源的發展方向清晰明了，發展態勢刻不容緩。

當前的國際形勢下，俄烏沖突爆發，北約各國紛紛宣布對其進行制裁，其中，德國宣布暫停簽約俄羅斯的北溪2 號項目。作為全球最大的能源出口國，俄羅斯的能源出口受阻將引發國際能源局勢的劇烈震蕩。截至北京時間2022 年2 月24 日，美國洲際交易所（Intercontinental Exchange）布倫特原油期貨持續上漲，盤中一度超過了每桶100 美元的大關，達到了最近八年的歷史新高。不難預見到在未來一段時間內，油價與電價的上漲將會呈現出不可阻擋的態勢。

當下，我國的能源架構依舊以化石能源為主，占比達85%。在化石能源消費中，煤炭資源占據了大部分的市場，占比超過50%。我國的資源儲量中，“缺油少氣”是無法避免的天然缺點，石油和天然氣在2020 年我國各類一次能源產量的占比僅分別為6.8%和6%。即便如此，在全球經濟一體化的現在，國際油價氣價的大幅增長也會抬高國內的一次能源價格，使得其相對于可再生能源發電的價格優勢逐漸降低。

就國內的能源分布狀況來看，其供應與需求的關系恰好相反，不論是傳統的不可再生化石能源還是新型的可再生清潔能源，大多都集中在西部和北部，而在東部和南部等經濟發達、能源消費需求高的地區，儲量卻相對較低。這也彰顯出了擁有巨大風力資源的海上風力發電在我國能源業中的優勢地位，海上風電靠近東部和南部的沿海經濟發達地區，在就地消納的同時[3]，還可以逐步形成海上風力發電相關的上下游產業鏈，進而成為一些沿海城市新的經濟支柱，為當地提供更多的就業崗位，為其經濟的可持續發展提供新的選擇，并減少碳排放，助力當地的生態環境保護。此外，海上風電還可以降低輸電成本和線路損耗，再加上海上的風力資源頗為豐富，風電機組運行的效率較高，不會占用日益匱乏的土地資源且適合大規模的開發等優點。未來，海上風力發電注定會在我國綠色能源體系架構的發展中，扮演愈發重要的角色。

目前，海上風力發電總體成本過高的問題亟需解決，它的功率和設備體積都比較大，還配有基座和電纜等相關的配套設施，導致設備成本很高；每臺風電機組都配有一部發電機、設備安裝在海上，設備的運輸和安裝難度遠高于傳統的不可再生能源發電，這也使得運輸與安裝成本較為高昂；加之國內目前對海上風電機組的安裝船、海底電纜等相關領域的研發還不夠深入，也從另一方面提高了發電成本；而且，風電機組在海上運行，其運行和維護的成本都很高。2021年之前并網發電的近海風電的電價為0.75元/千瓦時，遠海風電技術尚且剛剛起步，并網發電后的上網電價只高不低，而如表1 所示，2020 年國內燃煤發電的上網電價最高的省份是廣東省，約為0.453 元/千瓦時，最低的寧夏回族自治區僅為0.259 5 元/千瓦時左右。巨大的電價差距阻遏了海上風電的發展，若不降低發電成本，海上風電將很難與傳統化石能源發電在電價方面進行競爭[4]。

表1 2020 年部分省份/直轄市燃煤發電上網電價統計表

2 海上風電葉片的發展趨勢

完整的海上風電機組由葉片、風機、塔身與基座四部分組成，而葉片和輪轂又組成了風輪，從而將風能轉換成為機械能。對風電機組而言，保障葉片質量才能保障其可靠性與發電量。此外，平抑電價的政策促使風電企業需要從各個環節來降低生產成本，而葉片的改良有助于實現這一目標，葉片越長，葉輪面積也就越大，在相同的運行時間內，發電量也就更高。發電效率提升的同時，還能夠降低塔架設施成本，從而有助于降低發電成本[5]。

當前，國內的風電葉片產業已然發起了針對葉片長度的攻堅，在2008 年，并網發電的風電機組的風輪直徑約為65 m，而到了2018 年，這一數據國外達到了120 m，近乎增長了一倍。到了2021 年，我國第一款長度超百米的風電葉片在江蘇鹽城誕生，這標志著我國風電行業正式邁入了百米長葉片的時代。而這個長度遠不是葉片發展的終點，世界五百強的丹麥風電設備巨頭維斯塔斯宣布未來會制造功率達15 MW，葉片長度超115 m 的海上風電機組；位于我國廣東的明陽智能也宣稱其正在對功率達16 MW，葉片長度約118 m的海上風電機組進行技術攻堅。

降低重量、提升強度、降低成本是風電葉片未來的發展趨勢[6]。伴隨著葉片長度的逐漸變長，葉片的重量也會不斷增加，這對海上風電安裝船的運輸能力提出了新的挑戰，尤其是風電的未來在于遠海的情況下，不增大安裝船承載重量上限的話，即便更長的葉片成功下線，也無法安裝成功，并網發電。但是，質量不止由體積決定，制造材料的密度也同樣關鍵，當前的風機葉片基本都依賴于玻璃纖維增強塑料，為降低葉片重量，有的風電廠商已經開始使用密度更低的碳纖維來代替玻璃纖維，這也將是未來風電葉片的主流材料。

此外，運行與維護也是風電機組的又一焦點問題。對海上風電來說，一方面，設備在高鹽度和高濕度的外界環境中持續運行，使用碳纖維有助于增強葉片的耐腐蝕性能。而且，夏季時臺風高發，加上平時也有雷雨天氣等其他的惡劣天氣，使得海上風電機組對可靠性的要求比其他發電設備更高，而相對于玻璃纖維，強度和剛度更高的碳纖維能更好地確保這一點，一舉多得[7]。而葉片的受損主要分為環境影響和人為損傷兩種情形。雷雨冰雹等惡劣天氣會損傷葉片，長此以往，受損程度將不斷增大。為此，當前的風電廠商考慮金屬網和接閃器等兩種結構進行雷電保護[8]。另一方面，為確保葉片性能，一個風電機組的三只葉片必須在24 小時內安裝完成[9]，在追求施工速度的同時也增大了葉片在裝船、運輸與起吊等安裝環節中磕碰受損的可能性，且施工船在接近機組進行施工作業的時候也容易碰撞并損傷葉片。為此，在提升葉片強度的同時，也應該加強施工人員的職業培訓，重視施工船的技術升級，建立完善的管理系統[10]。為及早發現故障，應逐步使用無人機技術取代傳統的人工巡檢，并在葉片上安裝自檢系統，雙管齊下進行實時監測，確保及時發現隱患，及早排除故障，從而將損失降到最低[11]。

3 結語

目前，清潔、廉價、可靠的能源始終困擾著全球能源業，海上風電的未來，要力爭同時實現這三點，葉片的發展要專注長度、質量、葉形、剛度、強度等方面因素，在運行過程中也要注意防雷防結冰等各類保護，并建立完善的監測系統和安裝運維體系，幫助海上風電早日取代傳統化石能源成為能源領域的主力軍，進而幫助人類社會早日實現碳中和甚至碳的“凈負排放”。