把握我国风电机组发展趋势 寻找产业的下一个“风口”

　　“十二五”期间，我国风电产业得到了跨越式发展，截止到 2014年底，我国风电机组累计装机容量已达 114609MW，新增装机和累计装机两项数据均居世界首位，风能已成为我国能源结构中的重要组成部分。
　　目前，我国正处在逐渐由风电大国向风电强国转型的关键时期。这就要求在风资源的有效利用和大功率风电机组研发、风电机组的设计制造，关键配套件和主控系统可靠性等核心技术上必须有所创新和突破。
　　我国风电整机技术发展现状
　　截至 2014年底，我国具有批量或者小批量生产能力的风电整机企业共 20余家。通过技术引进、消化吸收、联合设计和自主研发等方式，这些企业已基本掌握了 1.5MW至 3MW风电机组的整机设计技术。同时，与整机研发配套的产业链也逐步成熟，叶片、齿轮箱、发电机、主控系统等设计和制造水平都取得了长足进步。目前， 1.5MW机组和 2MW机组整机设计技术及配套件供应已相对成熟，成为国内陆上风电机组的主流机型。一些企业在引进消化吸收的基础上，通过自主创新，开发出了适应中国风资源和气候特征的风电机组，由技术同质化引发的不正当价格竞争正逐步扭转。另外， 2.5MW和 3MW风电机组已进入小批量装机， 5MW和 6MW风电机组也有多家企业完成样机试制并投入试运行，更高功率等级的风电机组，如 10MW机组也已处于概念设计阶段。
　　风电机组大型化
　　一、整机大型化趋势明显
　　随着风电机组设计制造技术的不断成熟，风电产业对风能利用率的要求不断提高，整机大型化成为风电发展的必然趋势。 2005年以前， 750kW以下是市场的主流机型， 2005年至 2008年，兆瓦级机型逐渐成为主流机型，期间 1.5MW机组开始研制并投入运行。 2008年到现在，逐步进入多兆瓦级时代， 1.5MW至 3MW的风电机组占领了主要市场， 5MW、6MW海上风电机组也安装运行。风力发电科技发展“十二五”规划明确提出，在“十二五”期间，鼓励整机企业掌握 7MW风电机组及关键零部件设计、制造和产业化技术， 10MW海上风电机组的研发也被列入规划中。
　　多年来， 1.5MW风电机组一直是风电市场的主力机型。近年来，随着大机组时代的到来，通过对大容量机组的研究与使用， 2MW机组的新增装机容量逐年提高， 2MW与 1.5MW机组成为新增装机主要机型。近三年，1.5MW新增装机容量占比逐年降低， 2014年 1.5MW新增装机容量占全国风电机组新增装机容量由 2013年的 51%下降到 46%，而 2MW新增装机容量占全国风电机组新增装机容量则由 2013年的 31.6%提高到 41%，平均装机功率呈逐年增长的趋势。
　　二、风电机组大型化的优势
　　随着技术和供应链的不断成熟，大型风电机组越来越显示出显着的市场竞争力和发展优势。相对于较低容量的机组而言，更大型的风电机组一是有效降低了投资成本；二是有效提高了发电量；三是在相同规模的风电场中安装大容量机组，可以有效减少机组数量，从而减少后续的维护工作量，有效降低运维成本，提高管理效率。
　　以安装 10台风轮直径 88m的15台风轮直径 113m的 3MW机组为例进行对比（总装机容量相同），若按直线排布，相邻机组前后距离为风轮直径 5倍估算， 10台25MW机组前后距离为 3915m，而5台 3MW机组前后距离仅为 2260m。由于机位和基础减少了一半，占地面积也大幅减少，随着单位面积征地费用的不断上涨，征地面积降低将有效降低风电场征地费用。同时，运维成本也大幅降低。若在相同的距离上排布机组， 3MW机组的前后距离可达风轮直径的 8.7倍。这能大大减小尾流带来的发电量降低和湍流加大对机组运行所产生的影响。
　　三、海上风电开发加快了整机大型化步伐
　　根据国家新能源产业发展规划，“十二五”末，我国海上风电装机容量将达到 500万千瓦， 2020年将达到 3000万千瓦。海上风电具有风能资源好、对环境影响较小、不占用土地资源等优点，将成为中国风电未来的主要方向。由于海上风电机组基础结构复杂，施工难度大，造价高昂，尤其适合大容量风电机组的安装，以有效降低单位千瓦的基础造价和机组的维修费用。但受海域使用协调难度大、技术研发和施工技术等因素制约，目前我国海上风电进展较为缓慢。根据中国可再生能源学会风能专业委员会（ CWEA）发布的《 2014年中国风电装机容量统计》，截至 2014年底，我国已建成海上风电项目共计 657.88MW，其中，潮间带风电装机容量达到 434.48MW，近海风电装机容量为 223.4MW。
　　海上风电市场较大的发展空间，将会给整机企业带来新的机遇，目前国内已有多家整机厂推出了 5MW及以上级别的海上风电机组，未来会有更多的整机企业加快对更高功率等级的风电机组的研发。
　　四、风电机组大型化需要解决的技术难题
　　风电机组的大型化并不仅仅是结构尺寸、塔筒高度的简单放大，会面临一系列的设计和制造技术难题，如长叶片的强度、刚度保证问题，载荷控制问题、结构优化问题等。目前，采用先进控制技术降低机组载荷正越来越成为风电机组的研究热点之一。如独立变桨（ IPC）控制技术、塔架动态推力消减控制技术、基于雷达测风的预测控制技术等，其目的都是为了降低关键零部件的极限载荷和疲劳载荷，在保证机组可靠性的基础上，合理控制整机重量的增加。
　　风电机组大型化的发展，也必然伴随风电技术的不断创新。技术创新是大型风电机组不断发展的主要特征，掌握机组核心设计和制造技术的大型制造企业的全方位优势将逐步显现。为了开发具有真正自主知识产权的大型风电机组，必须攻克高升力翼型叶片设计、先进智能控制算法开发、控制策略优化、载荷和部件优化、整机重量降低、关键部件制造和可靠性提高及整机集成等一系列的新课题。
　　风电机组个性化
　　一、机组个性化趋势
　　我国幅员辽阔，地形地貌复杂，各地风资源差异性较大。因此，整机设计时需针对特定场址条件进行适应性技术改进，即对风电机组进行个性化设计。近年来，随着市场竞争的加剧和设计技术的进步，用户的个性化需求不断上升。如针对北方风电场，需研制低温型风电机组，使其具有抗低温、抗风沙和冰雪的性能；针对东南沿海风电场，需研制抗台风型风电机组，使其具有抗高温、抗台风和防盐雾的性能；而针对西南地区的高原风电场，需研制高原型风电机组，使其能适应高海拔、高太阳辐射、凝露等气候特点。一些公司还开发了风电机组个性化开发系统，可依据实际风况、自然环境、用户具体需求等为风电场定制最适合的机型。
　　此外，从叶片设计、传动链布置形式、塔筒结构、控制系统等方面推出了许多新的个性化技术。如为了降低长叶片产生的气动噪声，在叶片表面加装涡流发生器或后缘锯齿形设计；为降低塔筒制造成本，设计出了混凝土与钢结构的混合型塔筒；传动链布置在传统的单轴承、双轴承结构形式的基础上，推出了紧凑型、一入多出等新型结构；结合双馈式、直驱式风电机组的特点，推出了兼顾二者优势的中高速半直驱风电机组。
　　近年来，我国整机制造商对开发适合不同运行环境的风电机组越来越重视，推出了多款低温型、高原型、防台风型等针对特定风电场量身定制的风电机组，提高了风电机组的环境适用性。如太原重工 1.5MW至 3MW系列低温型机组、海装 2MW高原型机组、明阳 1.5MW抗台风型机组等，个性化设计已成为风电整机设计的趋势之一。
　　二、风轮直径不断加大
　　据统计，全国范围内年平均风速在 5m/s至 7m/s的低风速资源面积，占全国风能资源区的 68%，且接近用电负荷中心，并网条件较好。随着高风速优质风能资源开发趋于饱和受到“弃风”的影响，低风速风能资源的开发越来越受到关注。为使低风速风电场具备开发价值，低风速机组必须采用更长的叶片，以吸收更多风能。目前，国内已有多种低风速机型投入使用， 1.5MW低风速机组的最大风轮直径已达 100m，2MW低风速机组的最大风轮直径已达 121m。随着叶片长度和扫风面积的增加，切入风速和额定风速都明显下降。如风轮直径 100m的 1.5MW机组，其切入风速为 2.8m/s，额定风速为 9m/s。年平均风速为 5.5m/s时，年等效小时数大于 2000h，大大提高了风能资源的利用率。图 1为不同风速下三种 1.5MW低风速机组的年等效小时数对比（假设年平均风速为 Weibull分布，形状参数 k=2.0）。当年平均风速为 6.5m/s时，风轮直径 100m的 1.5MW机组比风轮直径 88m的 1.5MW机组年发电量提高约 16.1%。
　　结语
　　随着我国风电产业的技术进步和风电整机供应链的不断成熟，风电机组单机容量越大，单位千瓦的造价和机组运维费用就越低，风能资源的利用率也越高。目前国内并网运行的风电机组最大达 6MW，而从 2012年开始，国内外都有公司启动了 8MW到 10MW风电机组的开发，适应风电场各种环境条件的个性化风电机组也不断投入运行，如联合动力推出了 UP2000－121超低风速机组， Gamesa推出了 G132－3.3MW低风速机组， Vestas推出了叶轮直径达 164m的 8MW半直驱永磁风电机组。因此，以单机容量逐步增大和提高机组环境适应性为标志的风电机组大型化、个性化将成为风电产业发展的主要趋