国内外海上风力发电设备产业发展新态势及启示

执笔人/杨荣斌

国内外海上风力发电设备产业发展新态势及启示

执笔人/杨荣斌

海上风力发电是人类开发利用海洋、发展低碳经济的重要途径

随着20世纪90年代陆上风力发电场进入大规模商业化应用，发达国家及大型的风力发电设备制造企业开始将目光聚焦到海上风力发电，开展了积极的规划部署和示范应用，推动了海上风力发电技术发展和相关市场的拓展。进入21世纪以后，因相关领域一些关键技术的重大突破，全球海上风力发电设备总装机容量和市场规模迅速增长，海上风力发电设备产业的发展前景更加广阔。

海上风力发电正成为各国政府的支持重点

为推进海上风力发电产业的发展，发达国家制定了详细的产业扶持政策，涵盖了前期示范应用、立法保障、资源普查、风电设备生产补贴、风电上网补贴到过网费用机制等各个环节，为海上风力发电的发展扫清了障碍。

一是通过立法确立海上风电在新能源产业中的地位。20世纪末以来，欧洲各国在电力市场化的改革进程中同步确立了海上风力发电的法律地位。丹麦于1996年开始建设示范性海上风电场，根据示范性应用考查结果制定了《能源战略2025》，认为海上风电是丹麦未来风力发电的主要方向，并于1999年向私人投资者开放了海上风力发电领域。德国和西班牙则分别于2004年和2007年通过立法认可了海上风力发电技术，海上风电建设项目开始爆炸性增长。

二是采取政策性补贴、担保和低息贷款手段扶持海上风电设备制造业。如丹麦是欧洲海上风力发电最为发达的国家之一，为海上风力发电设备制造业提供了大量优惠政策，主要包括从1981年开始执行的风电设备生产补贴（后并入二氧化碳税补贴），以及对安装丹麦风电机组的项目给予建设补贴，还有为项目建设提供担保和低息贷款的优惠政策。2011年，美国也发布了《国家海上风电战略：创建美国海上风电产业》，提出在五年内投资5050万美元支持海上风电技术研发和克服市场障碍。

三是研究制定设备标准。欧盟要求各国分享已经取得的海上风电的经验和教训，协调各个风机制造商联合进行技术研发并尽可能形成规模化海上风电的开发，同时着手制定海上风力发电设备的标准和认证体系，以及统一的海上风电联网机制，加强知识共享与合作研发。基于欧盟的统一要求，欧洲各国还相继推出了各自的政策。

四是制定激励性的电力上网定价机制。电力上网定价机制直接决定了海上风力发电企业的积极性。西班牙实行固定电价和溢价机制相结合的方式，由海洋风电企业自主选择，无论在未来电力销售价格上升或下降时都能保护海洋风力发电企业的利益。德国《可再生能源法》在2009年修订后规定海洋风电上网价格从每千瓦时8.92欧分上调至13～15欧分，在此基础上未来每年调低5%，目的是为海洋风电产业设置保护期，同常规能源发电竞争争取时间。

五是完善硬件基础设施。海洋风力发电受风力资源的限制，发电量的瞬时变化会对接入电网的安全性、平稳运行产生重大影响。丹麦和西班牙是欧洲风电入网比例最高的两个国家，都超过总电网的15%。为了保障电网安全，丹麦通过建设跨国电网向别国出口或进口实现风力发电的动态调节，西班牙则通过较常规发电方式更为宽松的入网要求（只有当风力发电企业发电量与预测量相差超过20%时才需支付罚款，常规发电方式的限度则是5%）约束风力发电企业提高发电预测精度，保障电网运行安全。

市场规模快速扩张，欧美发达国家掌控主流市场

2010年全球海上风力发电装机总容量达到3117.6兆瓦，新增1161.7兆瓦，其中欧洲海上风电累计装机容量为2946.2兆瓦，占全球市场的95%，占全球新增容量的76%，较上一年增长了51%。欧洲风能协会预计2011年还将有1000至1500兆瓦的海上风电将在欧洲并网，在建的10个海上风电场建成后，欧洲海上风电装机容量将达到6200兆瓦，占到目前可开发潜能19000兆瓦的33%。目前，海上风电设备的主要生产厂商是德国的Siemens、REpower、Multibrid、Nordex、Enercon，丹麦的Vestas，芬兰的WinWinD和美国的GEWind。其中德国Siemens和丹麦Vestas是风机的两大巨头，GE则几乎垄断了美国市场。截至2010年，Siemens和Vestas分别安装海上风电机组386台和349台，是全球最大的两大制造商。

关键技术相继取得突破，未来发展方向逐步清晰

海上风力发电设备和机组主要是由叶片、驱动系统、控制系统和发电系统四大模块构成。近年来，由于大型风力发电机组运行可靠性问题己经基本解决，国际上将风电机组开发的重点逐步转移到了高效率、高性能的数兆瓦级实用型商品化机型。目前，近海风电机组主要有Vestas公司的2MW、3MW风电机组，Siemens公司的2.3MW、3.6MW风电机组，GE公司的3.6MW风电机组，德国Repower公司的5MW风电机组和德国Multibread公司的5MW半直驱风电机组。

此外，德国Enercon公司已经开发了6MW的近海风电机组（叶片直径127m）。综合分析海上风电技术的发展热点和主要公司的研发重点，四大模块的未来发展趋势如下：一是叶片技术的主攻方向是外形设计和新材料应用。叶片技术是风力发电机组的核心技术之一。为获得更大的风轮直径和相同额定功率下更低的额定转速，海上大型风机叶片翼型基本都是对梯形叶片进行优化。未来在大尺寸叶片方面，需要对叶片翼型进行更加精确的计算和设计。同时，风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前大型海上风机叶片主要采用高强轻质的碳纤维复合材料，未来含有碳纤维与玻璃纤维层压制品将成为兆瓦级风叶片的换代产品。此外，竹质绿色环保叶片已成为该领域的一个热点方向。二是驱动系统发展的重点是齿轮箱的制造设计与监测。驱动系统齿轮箱是影响和制约风力发电发展的关键技术，而齿轮箱和轴承的强度寿命和变载荷能力是风力发电机组性能的主要指标之一。目前主要发展方向是在设计方面简化齿轮箱和轴承结构以提高可靠性，在制造方面提高原材料纯净度和改进工艺流程，在产品检测方面优化状态监控手段，提供实时信息以保障机组稳定运行。三是控制系统突破的关键在于风机状态实时检测和软件处理模式研究。未来风电控制技术将主要通过风机自主收集载荷数据，将设计目标与实际载荷相比较“感知”健康状况，根据控制策略和自主容错技术“防范”风机故障，从根本上保证风机系统的自主运行和平稳功率输出，减少载荷波动。四是发电系统研究的重要方向是永磁直驱同步电机。感应双馈异步电机和永磁直驱同步电机是两类主要的风力发电机技术，前者是风电行业的主流机型，后者则代表着风力发电产品发展的趋势。永磁直驱技术能大幅减少直驱风电机组的空间尺寸，并在并网发电后较双馈异步技术更容易满足“低电压穿越”要求，有利于保证整个电网的稳定性。随着采用一级行星齿轮和适当增速比的“半直驱”技术于近年出现，永磁体及变流成本降低以及安全可靠性提高，“直驱”及“半直驱”将成为研发和生产的热点。

上海东海大桥海上风电项目是欧洲之外第一个海上风电并网项目，该项目位于东海大桥东侧的上海市海域，全部采用华锐风电科技集团自主研发的34台3兆瓦海上风电机组。

国内发展起步较晚，亟待奋起直追

国内海上风电开发刚刚起步，截至2010年总装机容量为106兆瓦，只占世界海上风电市场很小的份额。然而，国内海上风电的市场规模前景十分广阔。据PikeResearch预计，到2017年我国海上风电发电能力将达到11.7GW，成为世界第二大海上风电市场。目前，国内的海上风电技术和产业发展已经具备了一定的基础。在技术研发方面，国内已经掌握了兆瓦级海上风电机组的核心技术，风电机组技术实力增强。湘电集团5MW永磁直驱海上风力发电机成功下线，攻克了海上风力发电机组整机集成、专有单主轴承同步永磁发电机设计等多项技术难关；华锐风电科技集团自主研发的6兆瓦风电机组于2011年6月下线，该机组采用永磁直驱技术，成为为国内最大风机机组。此外，在风电并网技术方面，也取得了一系列进展。

在示范项目方面，上海东海大桥海上风电项目是欧洲之外第一个海上风电并网项目，该项目位于东海大桥东侧的上海市海域，全部采用华锐风电科技集团自主研发的34台3兆瓦海上风电机组。

整体来看，为了抢占海上风电技术和产业发展机遇，学习借鉴发达国家和地区的经验与做法，上海乃至国内的海上风电技术和产业的发展亟待从以下几个方面进行突破：一是加大关键技术的研发力度。目前国内已能够制造除齿轮箱和轴承以外的其他海上风电机组零部件，但齿轮箱和轴承仍基本依赖进口，国内产品故障率较高。此外，国产风力发电机组以双馈异步电机为主，陆上风力发电场就曾因为输出功率不稳定多次出现断网事故，而代表未来发展方向的同步直驱电机已经研制但尚未大规模生产。二是强化示范运营。国内海上风电机组制造商引进国外的技术和经验，起步较高，但缺乏真正商业运行考验，尤其是体现在风电场设计、设备运输安装和运营维护等方面缺乏配套服务手段，亟需选择合适项目进行示范运营，积累经验。三是完善相关政策配套。当前，《海上风电开发建设管理暂行办法》对海上风电场建设制定了规范，但国家能源局主持编制的《风电标准体系框架》尚未颁布，海上风电设备制造的企业准入和产品标准以及海上风电上网电价和跨区过网费用机制仍然是政策空白。四是加强近海风能资源配套调查。海上风力发电以风速高、风功率密度大、湍流强度小等优势来抵消巨大的投资成本，准确分析、预测海上风电场风能资源对海上风电场的建设乃至海洋风电设备制造业发展至关重要。但是我国还没有高分辨率的近海风能资源图谱，限制了海上风电产业发展。

本课题研究受上海市科技发展基金软科学研究项目资助，文章由上海科技发展研究中心提供，原文刊载于《科技发展研究》2011年第10期