7月12日，伴隨著我國第一臺單機容量10兆瓦的海上風電機組在福建興化灣二期海上風電場并網(wǎng)發(fā)電，中國海上風電發(fā)展歷史又翻開了新的一頁。
10兆瓦海上風電機組樣機并網(wǎng)發(fā)電（攝影：葉榮平）
目前，我國海上風電機組以單機容量4兆瓦到6兆瓦為主力機型。這臺亞太地區(qū)單機容量最大的10兆瓦海上風電機組毫無疑問是這片風場上的“巨無霸”。它的葉輪直徑達185米，相當于三峽大壩的海拔高程；葉輪中心距海平面115米，相當于一座40層高的大廈；90米長的葉片也再度刷新了國內(nèi)風機葉片長度的紀錄……
根據(jù)該區(qū)域風機平均發(fā)電小時數(shù)和2019年我國居民用電情況估算，這樣一臺10兆瓦的風機發(fā)電后，可以滿足兩萬個三口之家一年的用電需求。
從5兆瓦到10兆瓦
這臺由三峽集團攜手東方電氣集團聯(lián)合研制的10兆瓦海上風電機組樣機，研發(fā)制造歷時近三年。雙方專門組建了科研團隊共同開展技術(shù)攻關(guān)，僅研究經(jīng)費投入就超過1億元。在此之前，東方電氣的風機產(chǎn)品以單機容量2.5兆瓦的陸上風機為主，海上風機只有從國外引進的5兆瓦機型。
三峽集團東方電氣聯(lián)合研制10兆瓦海上風電機組樣機（攝影：葉榮平）
跨越如此之難，付出如此之巨，也許會讓人產(chǎn)生這樣的疑問：為什么現(xiàn)在一定要做大容量海上風電機組呢？
01、布局中國海上風電
隨著國內(nèi)外海上風電市場不斷擴大，對大容量風電機組的實際需求增加，風機制造商整體設計制造水平經(jīng)過多年的提升具備了一定的技術(shù)基礎，各大廠商為了搶占國際風電市場、躋身行業(yè)領(lǐng)先行列，紛紛展開技術(shù)攻關(guān)，啟動大容量機組研發(fā)計劃。對于國內(nèi)廠商而言，要想完成從跟隨到并肩直至超越，就只能迎難而上、參與競爭。
“除了技術(shù)進步與市場發(fā)展的客觀需求，海上風電大容量風機的競爭更多的是一種對海上風電資源的前瞻性戰(zhàn)略布局，是三峽集團實現(xiàn)海上風電技術(shù)引領(lǐng)的重要舉措。”三峽機電工程技術(shù)有限公司黨委副書記、總經(jīng)理胡偉明說，“早在2015年，三峽集團就對海上風電開發(fā)進行了整體規(guī)劃。經(jīng)過多方考察和對不同研發(fā)路線的摸索，在2017年明確第一階段海上風電機組研發(fā)目標與總體方案，同時明確了與國內(nèi)風機制造商以‘自主創(chuàng)新、聯(lián)合研發(fā)’的合作模式開展大容量海上風電機組的研發(fā)制造工作。”
三峽集團先后選擇了多家國內(nèi)風機制造商開展8到10兆瓦的海上風電機組聯(lián)合研制工作。與東方電氣集團合作的10兆瓦海上風電機組項目于2017年啟動聯(lián)合研制工作，2018年底完成樣機的詳細設計評審，2019年9月完成樣機下線，2020年7月實現(xiàn)并網(wǎng)試運行。
“集中連片規(guī)模化開發(fā)海上風電、引領(lǐng)海上風電技術(shù)發(fā)展，是國家賦予三峽集團改革發(fā)展的重要使命。這次10兆瓦風機聯(lián)合研發(fā)的成功對三峽集團海上風電戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)具有重要意義。無論是為行業(yè)發(fā)展出力，還是落實國家政策和三峽集團戰(zhàn)略，牽頭聯(lián)合各單位開展大容量海上風電機組的研發(fā)工作，三峽機電公司責無旁貸。”胡偉明說。
02、大容量風機的經(jīng)濟賬
2013年以來的數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)海上風電度電成本呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。2019年1月，我國發(fā)布《關(guān)于積極推進風電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》，海上風電平價上網(wǎng)的目標進一步明確，在當前更加注重度電成本的大背景下，大容量海上風電機組成為全球共同追求的技術(shù)方向之一。
“我們測算過，同等總裝機容量下，用10兆瓦風機和用5兆瓦風機相比，一個風場的成本能降低30%。”東方電氣風電有限公司（以下稱“東方風電”）黨委副書記、董事長、總經(jīng)理賀建華說，“我國福建海域風能資源非常豐富但海況復雜，一臺風機的安裝施工很不容易。如果想減少裝機臺數(shù)、降低工程投入、提高發(fā)電效率，那就得把單機容量做大。”
放眼全球，海洋資源分布不均，能開發(fā)的資源越來越有限，在風電場總裝機容量一定、單位千瓦掃風面積一致的情況下，選擇大容量海上風電機組能夠減少裝機臺數(shù)，節(jié)省用海面積，降低安裝施工投資和工程成本，提高風場發(fā)電量，具有顯著的經(jīng)濟性與海洋資源環(huán)境友好性。
而大容量風機的應用帶來風電成本的降低，也逐漸使得風電成為大眾消費得起的清潔能源，對促進我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推進全球可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。
03、我們更需要適合中國的風機
開發(fā)大容量風機的路徑，除了費時費力的自主研發(fā)這條路，還有依靠外部引進這么一條相對容易的道路。那么，為什么不直接引進國外技術(shù)成熟的10兆瓦級海上風電機組呢？
對此，賀建華表示，完全使用從國外引進的風機在我國海域不一定適用。比如與歐洲相比，我國海上風能資源最為富集的東南沿海一帶，具有臺風多發(fā)，日常風速低、極限風速高，洋流條件、海底地質(zhì)條件復雜等特點，鹽霧腐蝕程度比歐洲風場強2到3倍。他說，“歐洲市場的風機不一定適合我們，我們還是更需要適應中國海域條件和氣候的風機。這臺10兆瓦風機的抗臺風、抗鹽霧性能俱佳，通過一系列測試表明，即使是拿到國際市場上，我們的風機都是有競爭力的”。
業(yè)內(nèi)人士表示，中國的海上風電技術(shù)不僅高度重視抗臺風性能，還需要具備利用臺風安全發(fā)電的能力。對太平洋西海岸沿線國家和地區(qū)而言，抗臺風海上風電技術(shù)的市場適應性更強，有望為更多國家和地區(qū)開發(fā)海上清潔能源提供助力。因此，海上風電機組從5兆瓦到10兆瓦的自主研發(fā)之路，我們必須自己闖。
從技術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)升級
要想擁有自主研發(fā)、適用于我國海域的大容量海上風電機組，就意味著要在風機技術(shù)上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。從5兆瓦到10兆瓦并不是簡單的加倍，而是從風機設計、加工制造到配套設施的全面更新?lián)Q代，不可能通過簡單的改進就能實現(xiàn)，必須要突破和創(chuàng)新。
10兆瓦海上風電機組樣機吊裝現(xiàn)場（攝影：葉榮平）
對于大容量風機來說，最突出的環(huán)節(jié)之一就是葉片的設計制造。要把機組容量做大，就不可避免地對風機葉片的尺寸、強度、韌性等多個方面提出更高的要求。這對葉片的設計能力、制造水平、產(chǎn)業(yè)鏈配套都是考驗。
這臺10兆瓦風機采用的葉片是東方風電自主研發(fā)制造的超長柔性碳玻混合葉片，長度達90米，為目前國內(nèi)之最。據(jù)了解，在葉片研發(fā)過程中，制造工藝、葉片結(jié)構(gòu)等設計方案經(jīng)歷了數(shù)次調(diào)整，葉片經(jīng)過了二十多次試驗后才取得成功。承擔該樣機葉片制造的廠商也在完成這次任務以后躋身國內(nèi)一流葉片制造商行列。據(jù)了解，該風機已經(jīng)在風場完成葉片靜力試驗，葉片性能得到驗證。
除了葉片，還有發(fā)電機。在這臺10兆瓦風機上，成功實現(xiàn)了亞洲首臺萬千瓦級海上永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的研制，突破萬千瓦級海上風力發(fā)電機軸系結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、電磁絕緣、通風冷卻等關(guān)鍵核心技術(shù)，形成了萬千瓦級風力發(fā)電機設計平臺。
“10兆瓦只是一個起點。有了這個基礎，我們再做12兆瓦甚至15兆瓦就沒有那么困難了。”賀建華說，“這次從5兆瓦到10兆瓦風機跨代研發(fā)成功，意味著我們實現(xiàn)了從跟隨國外技術(shù)到自主研發(fā)的跨越，提升了國內(nèi)制造商自主研發(fā)制造大容量風機的能力，把10兆瓦風機攻克了，也就表示我們具備了挑戰(zhàn)10兆瓦以上更高容量風機設計制造的能力。”
而具備了他口中這個“能力”的，不僅僅只是東方風電一家，還包括參與10兆瓦風機研發(fā)的整條產(chǎn)業(yè)鏈上各個領(lǐng)域的廠商。除了風機制造商以外，還有在材料學、鑄鍛件制造以及高功率電力電子器件制造等多個領(lǐng)域的行業(yè)水平都得到了拉動和提升。
10兆瓦海上風電機組詳細設計評審會（東方風電供圖）
“發(fā)展大容量海上風電機組，長遠來看，我們的著眼點還是在推動行業(yè)發(fā)展進步上。三峽集團在發(fā)展大容量風機技術(shù)中起到的作用，主要是引領(lǐng)、定向和提供舞臺。”胡偉明說，“在這個過程中，三峽集團通過聯(lián)合相關(guān)央企、民企及地方企業(yè)，深度整合產(chǎn)業(yè)鏈，在全面分析海上風電開發(fā)實際需求與各廠家技術(shù)特點和優(yōu)勢后，選擇合適的國內(nèi)風機制造商開展項目合作。通過多輪協(xié)商，明確重要指標參數(shù)、結(jié)構(gòu)設計、設備布置、部件供應鏈等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，深度參與研發(fā)全過程。同時，從人力、技術(shù)、資金、行業(yè)協(xié)同上給予廠商支持，從用戶端提供技術(shù)應用反饋，與廠商實現(xiàn)共同進步、互利雙贏，進一步促進海上風電全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)合作與實力提升，從而推動整個行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。”
據(jù)了解，在這臺10兆瓦海上風機完成試驗運行后，這款風機將在福建三峽海上風電國際產(chǎn)業(yè)園批量化生產(chǎn)，屆時可帶動風機葉片、發(fā)電機、主軸承、變壓器、變流器等配套零部件制造的升級換代。在海上風電安裝施工方面，也將帶動國內(nèi)吊裝大容量海上風機安裝船、海上運輸船等相關(guān)配套裝備的進一步提升。
從逐浪江河到攜手出海
三峽集團與東方電氣集團的合作由來已久。從大型水輪發(fā)電機組的研發(fā)應用開始，已經(jīng)在多個大型水電工程建設中取得了成功，而這次是雙方在海上風電領(lǐng)域的第一次合作。
胡偉明介紹道，為了促進和推動雙方聯(lián)合研發(fā)順利開展取得成功，三峽集團在資源、資金和政策上都給予了巨大支持。除了提供市場需求來驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新、從用戶端給予信息反饋，還在許多細節(jié)上給予保障。比如，三峽集團在規(guī)劃中的所有海上風電場都預留了一到兩臺風機的位置，可用來給合作廠商試驗新技術(shù)新工藝。
賀建華說：“這次雙方合作比以往更加深入，三峽集團依舊扮演著整合國內(nèi)風機制造企業(yè)及上下游產(chǎn)業(yè)鏈、推動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、提供產(chǎn)品應用平臺這么一個非常重要的角色，在大容量風機的研發(fā)全過程中深度參與，提供了大量支持。未來，我們還將進一步在12兆瓦及以上大容量海上風電機組的研發(fā)上展開共同探索。”
要想繼續(xù)攻克技術(shù)難關(guān)，甚至在未來向著快速發(fā)展的國際風電行業(yè)技術(shù)“少人區(qū)”進發(fā)，團結(jié)協(xié)作、攜手共進是最佳的選擇。胡偉明說，“在與東方風電的合作中，從技術(shù)路線制定到每一項參數(shù)的敲定和設計細節(jié)的把關(guān)，我們?nèi)虆⑴c、深度合作，一起學懂弄通做好，攜手前行。”
十年前，中國首個大規(guī)模海上風電場——東海大橋風電場建成，標志著中國海上風電真正起步。與領(lǐng)跑世界風電發(fā)展的歐洲相比，我們起步晚了將近十年。但是近十年來，中國海上風電裝機容量增長了45倍，2019年新增裝機容量達到世界第一。
十年后的今天，我們有了自主研發(fā)的10兆瓦風機，可以說中國已經(jīng)邁入世界海上風機研發(fā)制造第一梯隊。今年5月，全球風能理事會發(fā)布的《全球風電市場供應側(cè)報告2019》顯示，中國的風機制造商在2019年全球風機制造商前十五強中，已占據(jù)八席。
“現(xiàn)在，中國已經(jīng)在海上風電機組大容量化發(fā)展方面實現(xiàn)與國際一流水平并跑。未來的四到五年內(nèi)，中國海上風電發(fā)展將從高速發(fā)展逐漸進入到高質(zhì)量發(fā)展階段。”胡偉明說。
