陆上“大”风机的机遇与挑战

陆上“大”风机的机遇与挑战

包秀兰 吉红伟 刘思成

（明阳智慧能源集团股份公司 广东中山 528437）

[摘 要] 风力发电机把可再生的清洁风能转换为机械能，再转换为供人们生活、生产所需的电能。随着人们对风能的需求日益提高，开发大型风力发电机组成为了必然趋势，本文主要讨论陆上大型风电发电机组面临的机遇和挑战。

[关键词] 大型风力发电机；机遇；挑战

0 引言

全球经济的高速发展对能源的供应提出了更高的要求，而传统的煤、石油、天然气等常用资源不可再生，并且使用过程中产生的氮氧化物和硫氧化物会对大气、土地等产生严重污染，发展可持续的清洁能源是现阶段人类面临的重大问题。风能是一种可再生、储量巨大的清洁绿色能源。我国风能资源丰富，可开发利用的风能约10亿千瓦^。风力发电机通过叶片捕获风能传递给机械部件（齿轮箱、发电机等），进而转换为电能。美国的Charles F．Brush 1987~1988年研发了第一台功率为12kw，叶轮直径为17m的家用风力发电机^，风电技术经过了34年的迅速发展，到2021年的10月，我国风力发电机最大单机容量已达到16MW，叶轮直径最长为256m^,风力发电机大型化的脚步已越来越快。

01 “大”风机的机遇

2016年4月22在美国纽约，全世界178个缔约方签署了共同控制全球气温变化的《巴黎协定》，承诺将全球气温升高幅度控制在2℃的范围之内^。2020年9月22日，习近平在第七十五届联合国大会上表示，中国将提高自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，到2030年，二氧化碳排放力争达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和^。作为可再生能源的风力发电是全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳经济增长的方案。2021年10月26国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确指出，到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上；到2060年，非化石能源消费比重达到80%以上^。根据国家能源局发布的1-9月份全国电力工业统计数据显示，截至2021年9月年底，我国风电装机规模为3.0亿千瓦，占全国发电装机容量的12.95%，是仅次于火电、水电的第三大能源，也是非化石能源中的重大组成部分。

2019年5月国家发改委发布的《关于完善风电上网电价政策的通知》指出，自2021年1月1日开始，新核准的陆上风电项目全面实现平价上网，国家不再补贴^。此平价上网政策进一步推进了风力发电机行业的快速发展。要实现平价上网，必须要降低风电场的投资成本，大功率风力发电机组可以减少机位，进而减少征地、基础建设、道路建设、线缆铺设、运维等相关成本。由于风机的部件材料成本并非随功率增加呈线性增加，大功率风力发电机单位千瓦的设备成本也低于小功率风力发电机组，进一步降低了设备成本。从2020年至今，不到一年的时间，风机价格由去年的最高4000元/kw跌至了今年最低1880元/kw，超过50%的跌幅除了市场环境、风机创新降本等原因外，还有一部分是得益于风机的大型化带来的成本优势。

除了政策给予的机遇外，全国风能资源的开发现状也从另一方面推进了“大”风机的发展。我国陆上风力资源分布主要集中在“三北”地区，已装机的风电场也主要集中在这些区域，但随着优质风资源地区风电装机量及用电需求量的饱和，以及三北地区风电运输困难等问题，近年来东南部及中东部等中低风速的内陆地区也陆续增大装机量。随着装机容量的日益增加，风电装机的风资源也逐渐从高风速过渡到中低风速、低风速，这就意味着风力发电机的叶片需要做大、做长以实现对低风速风能的捕获。

在上述政策及风能开发现状等多重因素影响下，我国“大”风机的推出速度非常迅猛，2020年陆上风电市场主流机型是3~4MW，在今年北京风能展上，各大主机厂商分别推出了陆上6~7.x MW的新机型，不到一年时间功率增加了近1倍，叶轮直径也从去年主流的145m~156m增加到了最长195m。但我们都清楚这并不是终点，随着市场的激烈竞争和风电技术的快速发展，更大功率、更大叶轮直径的风机近在咫尺。

02 “大”风机的挑战

“大”风机可以降低风电场的投资成本，但前提是需要突破技术上的一项项壁垒，如运输、吊装、机组设计。

2.1 运输

风机的功率越大，叶片越长，意味着机舱、轮毂、叶片的尺寸、重量越大。即使采用超紧凑半直驱技术路线的明阳MySE6.25-182机组机舱、轮毂的高度也超过了4m，加上运输工装、运输车辆高度已接近陆上运输限高的5m标准。叶片长度89m，运输拐弯半径>55m，对于山地风场，常规运输比较困难。大型风力发电机除了对运输道路的高度、弯道半径提出了更高要求，对道路的宽度、平整度、坡度等要求均会进一步提高。此外，对运输车辆本身的要求，如承重能力、车板高度等更为严苛。因此，如何实现更大功率、更大叶轮直径风机的低成本运输，不管是从风机本身结构上的创新或优化，亦或是对运输工装或者运输设备的改进，都是一个不小的挑战，需要研发人员进行大量的探索。

2.2 吊装

除了对运输提出了挑战，“大”风机对吊装也提出了更严苛的要求。大风轮直径需要匹配高塔筒，其次由于“大”风机的大尺寸和大重量，对吊装设备的要求更高。根据吊机的工作属性，起吊重量随着吊装高度和半径增加而降低，以利勃海尔750t履带吊车为例，吊装高度从133m增加到140m，在吊装半径16m不变的情况下起吊重量从124t降为105t，降低了15%。“大”风机除了增加吊机成本外，对场地的要求也进一步提高，如叶轮直径为166m的机组建议吊装场地面积通常为40m*40m，当叶轮直径增加至182m时，建议吊装场地增加至55m*55m。因此，对于山地等小场地风场，单叶片吊装也几乎成了“大”风机的标配。此外，“大”风机吊机转场的效率也会随着机组增大而降低，吊装难度也会随之增加。

2.3 机组设计

更大、更重的叶片会给主机传递大的弯矩，功率提升会增大传动链的扭矩，以叶轮直径为182m，功率为6.25MW的明阳半直驱机组为例，相比叶轮直径为166m，功率为5.0MW的半直驱机组，叶根弯矩Mxy、传动链弯矩Myz、偏航弯矩Mxy、偏航扭矩Mz等均显著增加50%~70%，也就是“大”风机的各个零部件都需要有更高的强度来承受增大的载荷。而如前面所述，由于运输和吊装限制了部件的尺寸和重量，且主机成本也限制了不能通过简单地增加尺寸和重量的方式去加强部件。因此需要通过开拓更先进的载荷控制技术，或者创新的系统、部件结构设计，材料、工艺优化等途径来解决载荷增大问题。

3 结论

在碳中和及风电平价上网的大环境下，由于成本优势及低风速的适用性，“大”风机的发展是必然趋势，而“大”风机的运输、吊装、设计等也对研发人员发起了一个个挑战，相信随着相关科学技术的发展和研发人员的不懈努力，风电人终将带着我们的“大”风机实现“3060”的双碳目标，为人类绿色发展贡献力量。

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作者简介：包秀兰（1994-），女，明阳智慧能源集团股份公司，助理工程师。

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