十年磨一剑！中国海上风电进入两位数“大机组”时代
7月12日 ， 伴随着我国第一台单机容量10兆瓦的海上风电机组在福建兴化湾二期海上风电场并网发电 ， 中国海上风电发展历史又翻开了新的一页 。
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10兆瓦海上风电机组样机并网发电（摄影：叶荣平）
目前 ， 我国海上风电机组以单机容量4兆瓦到6兆瓦为主力机型 。 这台亚太地区单机容量最大的10兆瓦海上风电机组毫无疑问是这片风场上的“巨无霸” 。 它的叶轮直径达185米 ， 相当于三峡大坝的海拔高程；叶轮中心距海平面115米 ， 相当于一座40层高的大厦；90米长的叶片也再度刷新了国内风机叶片长度的纪录……
根据该区域风机平均发电小时数和2019年我国居民用电情况估算 ， 这样一台10兆瓦的风机发电后 ， 可以满足两万个三口之家一年的用电需求 。
从5兆瓦到10兆瓦
这台由三峡集团携手东方电气集团联合研制的10兆瓦海上风电机组样机 ， 研发制造历时近三年 。 双方专门组建了科研团队共同开展技术攻关 ， 仅研究经费投入就超过1亿元 。 在此之前 ， 东方电气的风机产品以单机容量2.5兆瓦的陆上风机为主 ， 海上风机只有从国外引进的5兆瓦机型 。
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【十年磨一剑！中国海上风电进入两位数“大机组”时代】三峡集团东方电气联合研制10兆瓦海上风电机组样机（摄影：叶荣平）
跨越如此之难 ， 付出如此之巨 ， 也许会让人产生这样的疑问：为什么现在一定要做大容量海上风电机组呢？
布局中国海上风电
随着国内外海上风电市场不断扩大 ， 对大容量风电机组的实际需求增加 ， 风机制造商整体设计制造水平经过多年的提升具备了一定的技术基础 ， 各大厂商为了抢占国际风电市场、跻身行业领先行列 ， 纷纷展开技术攻关 ， 启动大容量机组研发计划 。 对于国内厂商而言 ， 要想完成从跟随到并肩直至超越 ， 就只能迎难而上、参与竞争 。
“除了技术进步与市场发展的客观需求 ， 海上风电大容量风机的竞争更多的是一种对海上风电资源的前瞻性战略布局 ， 是三峡集团实现海上风电技术引领的重要举措 。 ”三峡机电工程技术有限公司党委副书记、总经理胡伟明说 ， “早在2015年 ， 三峡集团就对海上风电开发进行了整体规划 。 经过多方考察和对不同研发路线的摸索 ， 在2017年明确第一阶段海上风电机组研发目标与总体方案 ， 同时明确了与国内风机制造商以‘自主创新、联合研发’的合作模式开展大容量海上风电机组的研发制造工作 。 ”
三峡集团先后选择了多家国内风机制造商开展8到10兆瓦的海上风电机组联合研制工作 。 与东方电气集团合作的10兆瓦海上风电机组项目于2017年启动联合研制工作 ， 2018年底完成样机的详细设计评审 ， 2019年9月完成样机下线 ， 2020年7月实现并网试运行 。
“集中连片规模化开发海上风电、引领海上风电技术发展 ， 是国家赋予三峡集团改革发展的重要使命 。 这次10兆瓦风机联合研发的成功对三峡集团海上风电战略目标的实现具有重要意义 。 无论是为行业发展出力 ， 还是落实国家政策和三峡集团战略 ， 牵头联合各单位开展大容量海上风电机组的研发工作 ， 三峡机电公司责无旁贷 。 ”胡伟明说 。
大容量风机的经济账
2013年以来的数据显示 ， 全球范围内海上风电度电成本呈现持续下降趋势 。 2019年1月 ， 我国发布《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》 ， 海上风电平价上网的目标进一步明确 ， 在当前更加注重度电成本的大背景下 ， 大容量海上风电机组成为全球共同追求的技术方向之一 。
“我们测算过 ， 同等总装机容量下 ， 用10兆瓦风机和用5兆瓦风机相比 ， 一个风场的成本能降低30% 。 ”东方电气风电有限公司（以下称“东方风电”）党委副书记、董事长、总经理贺建华说 ， “我国福建海域风能资源非常丰富但海况复杂 ， 一台风机的安装施工很不容易 。 如果想减少装机台数、降低工程投入、提高发电效率 ， 那就得把单机容量做大 。 ”
放眼全球 ， 海洋资源分布不均 ， 能开发的资源越来越有限 ， 在风电场总装机容量一定、单位千瓦扫风面积一致的情况下 ， 选择大容量海上风电机组能够减少装机台数 ， 节省用海面积 ， 降低安装施工投资和工程成本 ， 提高风场发电量 ， 具有显著的经济性与海洋资源环境友好性 。
而大容量风机的应用带来风电成本的降低 ， 也逐渐使得风电成为大众消费得起的清洁能源 ， 对促进我国能源结构优化、推进全球可持续发展产生了积极影响 。
我们更需要适合中国的风机
开发大容量风机的路径 ， 除了费时费力的自主研发这条路 ， 还有依靠外部引进这么一条相对容易的道路 。 那么 ， 为什么不直接引进国外技术成熟的10兆瓦级海上风电机组呢？
对此 ， 贺建华表示 ， 完全使用从国外引进的风机在我国海域不一定适用 。 比如与欧洲相比 ， 我国海上风能资源最为富集的东南沿海一带 ， 具有台风多发 ， 日常风速低、极限风速高 ， 洋流条件、海底地质条件复杂等特点 ， 盐雾腐蚀程度比欧洲风场强2到3倍 。 他说 ， “欧洲市场的风机不一定适合我们 ， 我们还是更需要适应中国海域条件和气候的风机 。 这台10兆瓦风机的抗台风、抗盐雾性能俱佳 ， 通过一系列测试表明 ， 即使是拿到国际市场上 ， 我们的风机都是有竞争力的” 。
业内人士表示 ， 中国的海上风电技术不仅高度重视抗台风性能 ， 还需要具备利用台风安全发电的能力 。 对太平洋西海岸沿线国家和地区而言 ， 抗台风海上风电技术的市场适应性更强 ， 有望为更多国家和地区开发海上清洁能源提供助力 。 因此 ， 海上风电机组从5兆瓦到10兆瓦的自主研发之路 ， 我们必须自己闯 。
从技术突破到产业升级
要想拥有自主研发、适用于我国海域的大容量海上风电机组 ， 就意味着要在风机技术上实现质的飞跃 。 从5兆瓦到10兆瓦并不是简单的加倍 ， 而是从风机设计、加工制造到配套设施的全面更新换代 ， 不可能通过简单的改进就能实现 ， 必须要突破和创新 。
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10兆瓦海上风电机组样机吊装现场（摄影：叶荣平）
对于大容量风机来说 ， 最突出的环节之一就是叶片的设计制造 。 要把机组容量做大 ， 就不可避免地对风机叶片的尺寸、强度、韧性等多个方面提出更高的要求 。 这对叶片的设计能力、制造水平、产业链配套都是考验 。
这台10兆瓦风机采用的叶片是东方风电自主研发制造的超长柔性碳玻混合叶片 ， 长度达90米 ， 为目前国内之最 。 据了解 ， 在叶片研发过程中 ， 制造工艺、叶片结构等设计方案经历了数次调整 ， 叶片经过了二十多次试验后才取得成功 。 承担该样机叶片制造的厂商也在完成这次任务以后跻身国内一流叶片制造商行列 。 据了解 ， 该风机已经在风场完成叶片静力试验 ， 叶片性能得到验证 。
除了叶片 ， 还有发电机 。 在这台10兆瓦风机上 ， 成功实现了亚洲首台万千瓦级海上永磁直驱风力发电机的研制 ， 突破万千瓦级海上风力发电机轴系结构、密封结构、电磁绝缘、通风冷却等关键核心技术 ， 形成了万千瓦级风力发电机设计平台 。
“10兆瓦只是一个起点 。 有了这个基础 ， 我们再做12兆瓦甚至15兆瓦就没有那么困难了 。 ”贺建华说 ， “这次从5兆瓦到10兆瓦风机跨代研发成功 ， 意味着我们实现了从跟随国外技术到自主研发的跨越 ， 提升了国内制造商自主研发制造大容量风机的能力 ， 把10兆瓦风机攻克了 ， 也就表示我们具备了挑战10兆瓦以上更高容量风机设计制造的能力 。 ”
而具备了他口中这个“能力”的 ， 不仅仅只是东方风电一家 ， 还包括参与10兆瓦风机研发的整条产业链上各个领域的厂商 。 除了风机制造商以外 ， 还有在材料学、铸锻件制造以及高功率电力电子器件制造等多个领域的行业水平都得到了拉动和提升 。
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10兆瓦海上风电机组详细设计评审会
（东方风电供图）
“发展大容量海上风电机组 ， 长远来看 ， 我们的着眼点还是在推动行业发展进步上 。 三峡集团在发展大容量风机技术中起到的作用 ， 主要是引领、定向和提供舞台 。 ”胡伟明说 ， “在这个过程中 ， 三峡集团通过联合相关央企、民企及地方企业 ， 深度整合产业链 ， 在全面分析海上风电开发实际需求与各厂家技术特点和优势后 ， 选择合适的国内风机制造商开展项目合作 。 通过多轮协商 ， 明确重要指标参数、结构设计、设备布置、部件供应链等关键技术参数 ， 深度参与研发全过程 。 同时 ， 从人力、技术、资金、行业协同上给予厂商支持 ， 从用户端提供技术应用反馈 ， 与厂商实现共同进步、互利双赢 ， 进一步促进海上风电全产业链的技术合作与实力提升 ， 从而推动整个行业的产业升级 。 ”
据了解 ， 在这台10兆瓦海上风机完成试验运行后 ， 这款风机将在福建三峡海上风电国际产业园批量化生产 ， 届时可带动风机叶片、发电机、主轴承、变压器、变流器等配套零部件制造的升级换代 。 在海上风电安装施工方面 ， 也将带动国内吊装大容量海上风机安装船、海上运输船等相关配套装备的进一步提升 。
从逐浪江河到携手出海
三峡集团与东方电气集团的合作由来已久 。 从大型水轮发电机组的研发应用开始 ， 已经在多个大型水电工程建设中取得了成功 ， 而这次是双方在海上风电领域的第一次合作 。
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三峡集团东方电气联合研制10兆瓦海上风电机组样机（摄影：叶荣平）
胡伟明介绍道 ， 为了促进和推动双方联合研发顺利开展取得成功 ， 三峡集团在资源、资金和政策上都给予了巨大支持 。 除了提供市场需求来驱动技术创新、从用户端给予信息反馈 ， 还在许多细节上给予保障 。 比如 ， 三峡集团在规划中的所有海上风电场都预留了一到两台风机的位置 ， 可用来给合作厂商试验新技术新工艺 。
贺建华说：“这次双方合作比以往更加深入 ， 三峡集团依旧扮演着整合国内风机制造企业及上下游产业链、推动技术创新发展、提供产品应用平台这么一个非常重要的角色 ， 在大容量风机的研发全过程中深度参与 ， 提供了大量支持 。 未来 ， 我们还将进一步在12兆瓦及以上大容量海上风电机组的研发上展开共同探索 。 ”
要想继续攻克技术难关 ， 甚至在未来向着快速发展的国际风电行业技术“少人区”进发 ， 团结协作、携手共进是最佳的选择 。 胡伟明说 ， “在与东方风电的合作中 ， 从技术路线制定到每一项参数的敲定和设计细节的把关 ， 我们全程参与、深度合作 ， 一起学懂弄通做好 ， 携手前行 。 ”
十年前 ， 中国首个大规模海上风电场——东海大桥风电场建成 ， 标志着中国海上风电真正起步 。 与领跑世界风电发展的欧洲相比 ， 我们起步晚了将近十年 。 但是近十年来 ， 中国海上风电装机容量增长了45倍 ， 2019年新增装机容量达到世界第一 。
十年后的今天 ， 我们有了自主研发的10兆瓦风机 ， 可以说中国已经迈入世界海上风机研发制造第一梯队 。 今年5月 ， 全球风能理事会发布的《全球风电市场供应侧报告2019》显示 ， 中国的风机制造商在2019年全球风机制造商前十五强中 ， 已占据八席 。
“现在 ， 中国已经在海上风电机组大容量化发展方面实现与国际一流水平并跑 。 未来的四到五年内 ， 中国海上风电发展将从高速发展逐渐进入到高质量发展阶段 。 ”胡伟明说 。
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