“十二五”期間，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了跨越式發(fā)展，截止到 2014年底，我國風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 114609MW，新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界首位，風(fēng)能已成為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。
“十二五”期間，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了跨越式發(fā)展，截止到 2014年底，我國風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 114609MW，新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界首位，風(fēng)能已成為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。
目前，我國正處在逐漸由風(fēng)電大國向風(fēng)電強(qiáng)國轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。這就要求在風(fēng)資源的有效利用和大功率風(fēng)電機(jī)組研發(fā)、風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造，關(guān)鍵配套件和主控系統(tǒng)可靠性等核心技術(shù)上必須有所創(chuàng)新和突破。
我國風(fēng)電整機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
截至 2014年底，我國具有批量或者小批量生產(chǎn)能力的風(fēng)電整機(jī)企業(yè)共 20余家。通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、聯(lián)合設(shè)計(jì)和自主研發(fā)等方式，這些企業(yè)已基本掌握了 1.5MW至 3MW風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。同時，與整機(jī)研發(fā)配套的產(chǎn)業(yè)鏈也逐步成熟，葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主控系統(tǒng)等設(shè)計(jì)和制造水平都取得了長足進(jìn)步。目前， 1.5MW機(jī)組和 2MW機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)及配套件供應(yīng)已相對成熟，成為國內(nèi)陸上風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。一些企業(yè)在引進(jìn)消化吸收的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新，開發(fā)出了適應(yīng)中國風(fēng)資源和氣候特征的風(fēng)電機(jī)組，由技術(shù)同質(zhì)化引發(fā)的不正當(dāng)價格競爭正逐步扭轉(zhuǎn)。另外， 2.5MW和 3MW風(fēng)電機(jī)組已進(jìn)入小批量裝機(jī)， 5MW和 6MW風(fēng)電機(jī)組也有多家企業(yè)完成樣機(jī)試制并投入試運(yùn)行，更高功率等級的風(fēng)電機(jī)組，如 10MW機(jī)組也已處于概念設(shè)計(jì)階段。
風(fēng)電機(jī)組大型化
一、整機(jī)大型化趨勢明顯
隨著風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)對風(fēng)能利用率的要求不斷提高，整機(jī)大型化成為風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。 2005年以前， 750kW以下是市場的主流機(jī)型， 2005年至 2008年，兆瓦級機(jī)型逐漸成為主流機(jī)型，期間 1.5MW機(jī)組開始研制并投入運(yùn)行。 2008年到現(xiàn)在，逐步進(jìn)入多兆瓦級時代， 1.5MW至 3MW的風(fēng)電機(jī)組占領(lǐng)了主要市場， 5MW、6MW海上風(fēng)電機(jī)組也安裝運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確提出，在“十二五”期間，鼓勵整機(jī)企業(yè)掌握 7MW風(fēng)電機(jī)組及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)， 10MW海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)也被列入規(guī)劃中。
多年來， 1.5MW風(fēng)電機(jī)組一直是風(fēng)電市場的主力機(jī)型。近年來，隨著大機(jī)組時代的到來，通過對大容量機(jī)組的研究與使用， 2MW機(jī)組的新增裝機(jī)容量逐年提高， 2MW與 1.5MW機(jī)組成為新增裝機(jī)主要機(jī)型。近三年，1.5MW新增裝機(jī)容量占比逐年降低， 2014年 1.5MW新增裝機(jī)容量占全國風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)容量由 2013年的 51%下降到 46%，而 2MW新增裝機(jī)容量占全國風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)容量則由 2013年的 31.6%提高到 41%，平均裝機(jī)功率呈逐年增長的趨勢。
二、風(fēng)電機(jī)組大型化的優(yōu)勢
隨著技術(shù)和供應(yīng)鏈的不斷成熟，大型風(fēng)電機(jī)組越來越顯示出顯著的市場競爭力和發(fā)展優(yōu)勢。相對于較低容量的機(jī)組而言，更大型的風(fēng)電機(jī)組一是有效降低了投資成本；二是有效提高了發(fā)電量；三是在相同規(guī)模的風(fēng)電場中安裝大容量機(jī)組，可以有效減少機(jī)組數(shù)量，從而減少后續(xù)的維護(hù)工作量，有效降低運(yùn)維成本，提高管理效率。
以安裝 10臺風(fēng)輪直徑 88m的15臺風(fēng)輪直徑 113m的 3MW機(jī)組為例進(jìn)行對比（總裝機(jī)容量相同），若按直線排布，相鄰機(jī)組前后距離為風(fēng)輪直徑 5倍估算， 10臺25MW機(jī)組前后距離為 3915m，而5臺 3MW機(jī)組前后距離僅為 2260m。由于機(jī)位和基礎(chǔ)減少了一半，占地面積也大幅減少，隨著單位面積征地費(fèi)用的不斷上漲，征地面積降低將有效降低風(fēng)電場征地費(fèi)用。同時，運(yùn)維成本也大幅降低。若在相同的距離上排布機(jī)組， 3MW機(jī)組的前后距離可達(dá)風(fēng)輪直徑的 8.7倍。這能大大減小尾流帶來的發(fā)電量降低和湍流加大對機(jī)組運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。
三、海上風(fēng)電開發(fā)加快了整機(jī)大型化步伐
根據(jù)國家新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十二五”末，我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到 500萬千瓦， 2020年將達(dá)到 3000萬千瓦。海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源好、對環(huán)境影響較小、不占用土地資源等優(yōu)點(diǎn)，將成為中國風(fēng)電未來的主要方向。由于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，造價高昂，尤其適合大容量風(fēng)電機(jī)組的安裝，以有效降低單位千瓦的基礎(chǔ)造價和機(jī)組的維修費(fèi)用。但受海域使用協(xié)調(diào)難度大、技術(shù)研發(fā)和施工技術(shù)等因素制約，目前我國海上風(fēng)電進(jìn)展較為緩慢。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（ CWEA）發(fā)布的《 2014年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》，截至 2014年底，我國已建成海上風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì) 657.88MW，其中，潮間帶風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 434.48MW，近海風(fēng)電裝機(jī)容量為 223.4MW。
海上風(fēng)電市場較大的發(fā)展空間，將會給整機(jī)企業(yè)帶來新的機(jī)遇，目前國內(nèi)已有多家整機(jī)廠推出了 5MW及以上級別的海上風(fēng)電機(jī)組，未來會有更多的整機(jī)企業(yè)加快對更高功率等級的風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)。
四、風(fēng)電機(jī)組大型化需要解決的技術(shù)難題
風(fēng)電機(jī)組的大型化并不僅僅是結(jié)構(gòu)尺寸、塔筒高度的簡單放大，會面臨一系列的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)難題，如長葉片的強(qiáng)度、剛度保證問題，載荷控制問題、結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題等。目前，采用先進(jìn)控制技術(shù)降低機(jī)組載荷正越來越成為風(fēng)電機(jī)組的研究熱點(diǎn)之一。如獨(dú)立變槳（ IPC）控制技術(shù)、塔架動態(tài)推力消減控制技術(shù)、基于雷達(dá)測風(fēng)的預(yù)測控制技術(shù)等，其目的都是為了降低關(guān)鍵零部件的極限載荷和疲勞載荷，在保證機(jī)組可靠性的基礎(chǔ)上，合理控制整機(jī)重量的增加。
風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展，也必然伴隨風(fēng)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新是大型風(fēng)電機(jī)組不斷發(fā)展的主要特征，掌握機(jī)組核心設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的大型制造企業(yè)的全方位優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。為了開發(fā)具有真正自主知識產(chǎn)權(quán)的大型風(fēng)電機(jī)組，必須攻克高升力翼型葉片設(shè)計(jì)、先進(jìn)智能控制算法開發(fā)、控制策略優(yōu)化、載荷和部件優(yōu)化、整機(jī)重量降低、關(guān)鍵部件制造和可靠性提高及整機(jī)集成等一系列的新課題。
風(fēng)電機(jī)組個性化
一、機(jī)組個性化趨勢
我國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，各地風(fēng)資源差異性較大。因此，整機(jī)設(shè)計(jì)時需針對特定場址條件進(jìn)行適應(yīng)性技術(shù)改進(jìn)，即對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)。近年來，隨著市場競爭的加劇和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，用戶的個性化需求不斷上升。如針對北方風(fēng)電場，需研制低溫型風(fēng)電機(jī)組，使其具有抗低溫、抗風(fēng)沙和冰雪的性能；針對東南沿海風(fēng)電場，需研制抗臺風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組，使其具有抗高溫、抗臺風(fēng)和防鹽霧的性能；而針對西南地區(qū)的高原風(fēng)電場，需研制高原型風(fēng)電機(jī)組，使其能適應(yīng)高海拔、高太陽輻射、凝露等氣候特點(diǎn)。一些公司還開發(fā)了風(fēng)電機(jī)組個性化開發(fā)系統(tǒng)，可依據(jù)實(shí)際風(fēng)況、自然環(huán)境、用戶具體需求等為風(fēng)電場定制最適合的機(jī)型。
此外，從葉片設(shè)計(jì)、傳動鏈布置形式、塔筒結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面推出了許多新的個性化技術(shù)。如為了降低長葉片產(chǎn)生的氣動噪聲，在葉片表面加裝渦流發(fā)生器或后緣鋸齒形設(shè)計(jì)；為降低塔筒制造成本，設(shè)計(jì)出了混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的混合型塔筒；傳動鏈布置在傳統(tǒng)的單軸承、雙軸承結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，推出了緊湊型、一入多出等新型結(jié)構(gòu)；結(jié)合雙饋式、直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，推出了兼顧二者優(yōu)勢的中高速半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。
近年來，我國整機(jī)制造商對開發(fā)適合不同運(yùn)行環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組越來越重視，推出了多款低溫型、高原型、防臺風(fēng)型等針對特定風(fēng)電場量身定制的風(fēng)電機(jī)組，提高了風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境適用性。如太原重工 1.5MW至 3MW系列低溫型機(jī)組、海裝 2MW高原型機(jī)組、明陽 1.5MW抗臺風(fēng)型機(jī)組等，個性化設(shè)計(jì)已成為風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢之一。
二、風(fēng)輪直徑不斷加大
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國范圍內(nèi)年平均風(fēng)速在 5m/s至 7m/s的低風(fēng)速資源面積，占全國風(fēng)能資源區(qū)的 68%，且接近用電負(fù)荷中心，并網(wǎng)條件較好。隨著高風(fēng)速優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源開發(fā)趨于飽和受到“棄風(fēng)”的影響，低風(fēng)速風(fēng)能資源的開發(fā)越來越受到關(guān)注。為使低風(fēng)速風(fēng)電場具備開發(fā)價值，低風(fēng)速機(jī)組必須采用更長的葉片，以吸收更多風(fēng)能。目前，國內(nèi)已有多種低風(fēng)速機(jī)型投入使用， 1.5MW低風(fēng)速機(jī)組的最大風(fēng)輪直徑已達(dá) 100m，2MW低風(fēng)速機(jī)組的最大風(fēng)輪直徑已達(dá) 121m。隨著葉片長度和掃風(fēng)面積的增加，切入風(fēng)速和額定風(fēng)速都明顯下降。如風(fēng)輪直徑 100m的 1.5MW機(jī)組，其切入風(fēng)速為 2.8m/s，額定風(fēng)速為 9m/s。年平均風(fēng)速為 5.5m/s時，年等效小時數(shù)大于 2000h，大大提高了風(fēng)能資源的利用率。圖 1為不同風(fēng)速下三種 1.5MW低風(fēng)速機(jī)組的年等效小時數(shù)對比（假設(shè)年平均風(fēng)速為 Weibull分布，形狀參數(shù) k=2.0）。當(dāng)年平均風(fēng)速為 6.5m/s時，風(fēng)輪直徑 100m的 1.5MW機(jī)組比風(fēng)輪直徑 88m的 1.5MW機(jī)組年發(fā)電量提高約 16.1%。
結(jié)語
隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和風(fēng)電整機(jī)供應(yīng)鏈的不斷成熟，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量越大，單位千瓦的造價和機(jī)組運(yùn)維費(fèi)用就越低，風(fēng)能資源的利用率也越高。目前國內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組最大達(dá) 6MW，而從 2012年開始，國內(nèi)外都有公司啟動了 8MW到 10MW風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)，適應(yīng)風(fēng)電場各種環(huán)境條件的個性化風(fēng)電機(jī)組也不斷投入運(yùn)行，如聯(lián)合動力推出了 UP2000－121超低風(fēng)速機(jī)組， Gamesa推出了 G132－3.3MW低風(fēng)速機(jī)組， Vestas推出了葉輪直徑達(dá) 164m的 8MW半直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組。因此，以單機(jī)容量逐步增大和提高機(jī)組環(huán)境適應(yīng)性為標(biāo)志的風(fēng)電機(jī)組大型化、個性化將成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨
