海上風能資源比陸地豐富而且穩(wěn)定，風機發(fā)電時間長，風電場既不占用寶貴的土地資源，又靠近電力負荷中心，還遠離居民生活區(qū)。在陸上風資源行將枯竭、開發(fā)受限的今天，這幅遠景藍圖寄托了渴望綠色能源的地球人的無限期待。
海上風能資源比陸地豐富而且穩(wěn)定，風機發(fā)電時間長，風電場既不占用寶貴的土地資源，又靠近電力負荷中心，還遠離居民生活區(qū)。在陸上風資源行將枯竭、開發(fā)受限的今天，這幅遠景藍圖寄托了渴望綠色能源的地球人的無限期待。但是，如果我們翻一翻海上風電的最新成績單就會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實與期望值相去甚遠！據(jù)彭博社新能源財經(jīng)發(fā)布消息稱，至2015年底，全球海上風電裝機累計1100萬千瓦，而穩(wěn)居全球風電裝機榜首的中國僅100萬千瓦，不及陸上風電的1%。如此說來，海上風電只是看上去很美，骨子里滿是“櫻桃好吃樹難栽”的無奈！
有痛點就得找痛的原因。海上風電之所以“圍觀者眾，上門踢館者寡”，業(yè)界比較一致的觀點是，海上風電開發(fā)成本比陸上高出2-3倍！有人天真地認為，如果政府把海上風電的上網(wǎng)電價相應(yīng)地提高2-3倍，問題就有解了。可是據(jù)筆者的觀察，政府（至少我國是這樣）不但沒有這樣的政策設(shè)計，相反，一幅去理想化的圖景擺在業(yè)者面前：國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》明確指出，要逐步退出風電補貼政策，十三五末也就是到2020年，風電上網(wǎng)電價要與火電齊平。開發(fā)海上風電的大幕還沒有完全展開，收場的鼓點聲卻在隱隱傳來。試問，海上風電有理由做到例外嗎？如果沒有，業(yè)界將如何因應(yīng)？
有“開發(fā)成本高”這只攔路虎在眼前，我們就不必再找其它的原因了，盡管影響海上風電的因素還有很多。問題再回到痛點：海上風電有解決方案嗎？筆者的回答是肯定的，這就是創(chuàng)新與突破！海上風電開發(fā)要在技術(shù)路線與商業(yè)模式等方面開拓創(chuàng)新，大膽突破，集約化大規(guī)模高效開發(fā)海上風電，大幅度降低開發(fā)成本，徹底擺脫政策依賴，重新回到以市場為主導的良性發(fā)展軌道。
第一，技術(shù)路線上尋求突破
通過多年對風力發(fā)電技術(shù)的研究，筆者認為傳統(tǒng)主流三葉片水平軸風力發(fā)電機從結(jié)構(gòu)到設(shè)計理念都存在缺陷。首先，風機功率受制于葉片長度。由于受葉片材料的制約，葉片長度目前已經(jīng)接近極限，例如8MW的風機葉片長度已超過80米。如果要繼續(xù)增加單機功率，勢必要繼續(xù)增加葉片長度，而這在短時間內(nèi)是不可能有重大突破的。其次，水平軸三葉片風機的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。懸臂結(jié)構(gòu)的超長葉片因為要保持其足夠的強度與剛度，其根部設(shè)計成有一定長度的大直徑圓柱體，葉片梢部尖薄又顯剛性不足。這兩部分的氣動外形不符合空氣動力學原理，導致葉片的最佳工作長度不足葉片全長的70%，風機的整體性能與效率大大降低。再次，風機設(shè)計理念的束縛。三葉片水平軸風機是在以往各類風機模型基礎(chǔ)上提煉出來的最佳機型，特別適用于風機高度在200米左右的空間，這一理念已經(jīng)深入人心，主流設(shè)計人員視其為圭臬、正統(tǒng)，其它技術(shù)方案很難進入其視野。但實踐證明，要大幅度提高風機的單機功率，三葉片懸臂結(jié)構(gòu)僅從其葉片技術(shù)角度看已經(jīng)沒有可能。因此，在設(shè)計理念上應(yīng)當有新的思考與突破，不能墨守成規(guī)。
有鑒于此，筆者大膽突破傳統(tǒng)技術(shù)路線，研究設(shè)計了一款100MW超大型風力發(fā)電機組，為實現(xiàn)海上風電的高效規(guī)模開發(fā)（當然也適合陸上風電場）提供技術(shù)儲備。該機組采用直徑600米的雙掠面多葉片拉索式風輪，風輪掃掠面積28萬m2，空間桁架結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土塔架高度達320米，風輪最高點超過620米。等弦長、變槳距、多葉片設(shè)計，可以克服傳統(tǒng)三葉片的不利氣動影響。發(fā)電機則采用技術(shù)成熟的電勵磁同步電機，與風輪葉尖氣動調(diào)速，變槳距調(diào)速，偏航調(diào)速，外置同軸永磁電機調(diào)速，共同組成發(fā)電機功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以確保發(fā)電機處于恒速恒頻工作狀態(tài)。此外，重達數(shù)千噸的風輪旋轉(zhuǎn)時可儲存足夠的動能，一定程度上能夠克服由于風速或外部電網(wǎng)的某些瞬時變化帶來的電壓波動，有利于提高電能品質(zhì)。
以上技術(shù)創(chuàng)新成果部分反映在筆者所擁有的國家授權(quán)專利《超大型風力發(fā)電機組》、《雙掠面多葉片拉索式風力渦輪》中。至于技術(shù)認證，可以從基礎(chǔ)、塔架、風輪系統(tǒng)、傳動變速系統(tǒng)、發(fā)配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)分步實施，以求得整體方案的可行性，盡早進入商業(yè)化操作。
100MW超大型風力發(fā)電機組的優(yōu)勢十分明顯。第一，由于機組功率巨大，一臺機組相當于傳統(tǒng)風電場全部機組的總和，因而極大地節(jié)約了風電場的土地資源。無論在陸地還是海上，一個風電場只需要安裝一臺機組，占地面積（占用海域）不超過3000M2，單機間距將大于5000米，這與傳統(tǒng)風電場動輒幾十平方公里的占地需求，完全不可同日而語！從某種意義上說，是把傳統(tǒng)風電場由“片”變?yōu)?ldquo;點”，這對海上風電場而言意義尤其巨大。在中國沿海，常年活躍著幾十萬艘各類船只，傳統(tǒng)風電場的單機密度過大，勢必影響航行、漁業(yè)乃至國防設(shè)施的安全，風電場本身也存在諸多安全隱患。此外，這種稀疏分布又遠離海岸線的“點式”風電場，從安裝到正常運維，能最大限度地減少對海洋環(huán)境的擾動，符合綠色環(huán)保發(fā)展理念。
第二，從理論上推測
100MW超大型風力發(fā)電機組的效率要高于由小功率風機組成的傳統(tǒng)風電場（有待實踐檢驗）。首先從年發(fā)電時間看，根據(jù)測算，海上風機年發(fā)電時間可按5000小時左右計，例如廣東珠海桂山海上風電場按年發(fā)電時間4900小時計算，歐洲一般按4500-5000小時計。筆者估算，100MW超大型風力發(fā)電機組年發(fā)電時間應(yīng)在6000小時以上。理由之一是，該機組塔架高度320米，風輪最高點620米，而風速與其平穩(wěn)性在垂直高度上呈指數(shù)遞增，這意味著風輪可以吸收更大更穩(wěn)定的風能。實際上如此龐大的風輪，如果沒有諸如故障檢修等特殊原因，一般不會啟動停機模式。
其次從風輪的工作模式看，由于傳統(tǒng)風電場大多由小功率風機群組成，塔影效應(yīng)與尾流效應(yīng)十分顯著，加上如前所述葉片根部與梢部的不利氣動影響，將會降低風電場的發(fā)電效率。100MW超大型風機雖然也存在塔架以及拉索的所謂塔影效應(yīng)，但由于風輪直徑巨大，塔影效應(yīng)從輪轂中心逐漸向葉尖遞減。此外，風輪葉片的氣動外形在徑向上全程符合空氣動力學原理，使得流經(jīng)前掃掠面的風速風向基本不受影響，而且經(jīng)過前掃掠面做功的風速經(jīng)過后掃掠面時再次做功，風輪可最大限度的吸收風能，顯然比小功率機群的整體效果要好。
第三，商業(yè)模式上尋求創(chuàng)新
全球風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，主要有零部件供應(yīng)、 整機制造和風電場開發(fā)等 3個環(huán)節(jié)。近年來由于市場競爭的白熱化，行業(yè)內(nèi)部發(fā)生許多新的變化，其中最明顯的莫過于風電開發(fā)商已逐漸成為產(chǎn)業(yè)的主導。為適應(yīng)這種變化，一些上游風電整機商開始把業(yè)務(wù)向下游延伸，如我國風電龍頭企業(yè)金風科技、遠景能源、明陽風電等，都已經(jīng)開始或者準備試水風電場開發(fā)。
筆者對現(xiàn)階段行業(yè)趨勢做過認真研判，認為這一發(fā)展趨勢符合風電行業(yè)本身特性。風電整機技術(shù)集成度高，出質(zhì)保期的維護量較大，風電開發(fā)商對整機商的要求越來越高，導致整機商與開發(fā)商的利潤空間都受到擠壓。但從外部看，風電整機商與風電開發(fā)商更像一個整體，他們共同為電網(wǎng)提供電力產(chǎn)品。筆者認為與其人為地分割一個有機整體，還不如一體化經(jīng)營這個整體，可以更有效地整合各自的優(yōu)勢資源，因此提出“風電一體化規(guī)模開發(fā)”的新模式。
所謂一體化，就是貫通風電產(chǎn)業(yè)的上下游環(huán)節(jié)，集產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、發(fā)電、運營維護于一身，最終向用戶提供優(yōu)質(zhì)電力產(chǎn)品，從中獲得穩(wěn)定收益。這種商業(yè)模式不是傳統(tǒng)意義上的“貪大求全”，更不是要集成全產(chǎn)業(yè)鏈上的實體。它只是在形式上打通上下游環(huán)節(jié)，企業(yè)只做核心和關(guān)鍵部分，如產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，關(guān)鍵零部件的加工制造，風電機組的運營維護等，凡涉及低端或傳統(tǒng)加工業(yè)務(wù)應(yīng)當全部外包。
與傳統(tǒng)商業(yè)模式相比，新模式實質(zhì)上改變了企業(yè)的產(chǎn)品屬性與盈利模式，由原來向下游市場供應(yīng)風電整機或運維服務(wù)，變?yōu)橹苯酉蛱囟ㄓ脩籼峁╇娏Ξa(chǎn)品。由于電力產(chǎn)品的特殊性，企業(yè)可以減少產(chǎn)品營銷這個重要環(huán)節(jié)的大量投入，把有限資源集中在如何提供優(yōu)質(zhì)電力產(chǎn)品上。新模式無疑會增強企業(yè)盈利的可持續(xù)性，可以說在風電機組的全生命周期內(nèi)，每年都能從電網(wǎng)獲得穩(wěn)定的收益，從而大大弱化了企業(yè)的經(jīng)營風險。
新模式的不足之處是，企業(yè)運營要有強大的資金流做支撐，否則發(fā)展速度和規(guī)模都會受到制約。為了克服此類短板，企業(yè)在融資渠道和方式上同樣要有創(chuàng)新和突破，在風險可控的情況下，合理利用財務(wù)杠桿，在國家退出風電補貼政策之前，把企業(yè)做大到一個適當?shù)囊?guī)模，為后續(xù)的擴張發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
那么，以100MW超大型風電機組為主導產(chǎn)品，采取這種創(chuàng)新的商業(yè)模式是否真的切實可行呢？答案可以從成本和效益分析上找到。首先從成本結(jié)構(gòu)上分析。據(jù)筆者初步核算，100MW超大型風電機組的總造價在12億元人民幣以內(nèi)，其中基礎(chǔ)2億元，塔架2億元，機艙及其內(nèi)部傳動和發(fā)電設(shè)備等3億元，風輪2億元，控制系統(tǒng)1億元，海底電纜等輸變電設(shè)備1億元，不可預(yù)見費1億元。單位千瓦造價約合1.2萬元/KW，只相當于現(xiàn)在已建成的我國海上風電場造價的60%，價格優(yōu)勢十分明顯。此外，在機組的全生命周期內(nèi)，由于維護作業(yè)點少，智能化自動化程度高，運維成本應(yīng)當比傳統(tǒng)風電場更低。
再從經(jīng)濟效益角度分析，如果按國家規(guī)定的海上風電上網(wǎng)電價0.85元/KW計算，單臺機組年發(fā)電6000小時，則年發(fā)電量6億千瓦時，年營收可達5.1億元。即使今后上網(wǎng)電價與火電看齊，按南方電網(wǎng)火電上網(wǎng)均價0.42元/KW計算，單臺機組年營收仍可達2-3億元，收益率遠比傳統(tǒng)風電機組要高。從中還可以得出結(jié)論，單機年發(fā)電量所得收益，高于銷售一臺風電整機的一次性收益。以我國風電龍頭企業(yè)金風科技2015年年報作參考，該公司以全年裝機780萬千瓦居全球首位，年凈利潤34億元，凈利潤率4360萬元/10萬千瓦。考察我國年裝機100萬千瓦以上的風電企業(yè)，凈利潤率大致如此。兩相對比，兩種商業(yè)模式的盈利能力一目了然。當然，后者的資金占用規(guī)模比新模式要小，但是100MW超大型風電機組在25年的生命周期內(nèi)，可以創(chuàng)造超過50億元的營收，收益穩(wěn)定性與持久性亦不可小覷。
以上分析可見，以100MW超大型風電機組為主導產(chǎn)品，采取一體化大規(guī)模開發(fā)風電的新模式，就是一個完美的海上風電整體解決方案。傳統(tǒng)主流風電機組如果沒有新的技術(shù)或商業(yè)模式的重大突破，將很難與之抗衡。
今日長纓在手，何時縛住蒼龍？筆者期待與業(yè)界有識之士攜手合作，共創(chuàng)雙嬴！
該篇文章由作者李祖輝授權(quán)東方風力發(fā)電網(wǎng)獨家發(fā)布，轉(zhuǎn)載請注明出處
