创新与突破：海上风电之整体解决方案

　　海上风能资源比陆地丰富而且稳定，风机发电时间长，风电场既不占用宝贵的土地资源，又靠近电力负荷中心，还远离居民生活区。在陆上风资源行将枯竭、开发受限的今天，这幅远景蓝图寄托了渴望绿色能源的地球人的无限期待。但是，如果我们翻一翻海上风电的最新成绩单就会发现，现实与期望值相去甚远！据彭博社新能源财经发布消息称，至2015年底，全球海上风电装机累计1100万千瓦，而稳居全球风电装机榜首的中国仅100万千瓦，不及陆上风电的1%。如此说来，海上风电只是看上去很美，骨子里满是“樱桃好吃树难栽”的无奈！
　　有痛点就得找痛的原因。海上风电之所以“围观者众，上门踢馆者寡”，业界比较一致的观点是，海上风电开发成本比陆上高出2-3倍！有人天真地认为，如果政府把海上风电的上网电价相应地提高2-3倍，问题就有解了。可是据笔者的观察，政府（至少我国是这样）不但没有这样的政策设计，相反，一幅去理想化的图景摆在业者面前：国家《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》明确指出，要逐步退出风电补贴政策，十三五末也就是到2020年，风电上网电价要与火电齐平。开发海上风电的大幕还没有完全展开，收场的鼓点声却在隐隐传来。试问，海上风电有理由做到例外吗？如果没有，业界将如何因应？
　　有“开发成本高”这只拦路虎在眼前，我们就不必再找其它的原因了，尽管影响海上风电的因素还有很多。问题再回到痛点：海上风电有解决方案吗？笔者的回答是肯定的，这就是创新与突破！海上风电开发要在技术路线与商业模式等方面开拓创新，大胆突破，集约化大规模高效开发海上风电，大幅度降低开发成本，彻底摆脱政策依赖，重新回到以市场为主导的良性发展轨道。
　　第一，技术路线上寻求突破
　　通过多年对风力发电技术的研究，笔者认为传统主流三叶片水平轴风力发电机从结构到设计理念都存在缺陷。首先，风机功率受制于叶片长度。由于受叶片材料的制约，叶片长度目前已经接近极限，例如8MW的风机叶片长度已超过80米。如果要继续增加单机功率，势必要继续增加叶片长度，而这在短时间内是不可能有重大突破的。其次，水平轴三叶片风机的结构设计不合理。悬臂结构的超长叶片因为要保持其足够的强度与刚度，其根部设计成有一定长度的大直径圆柱体，叶片梢部尖薄又显刚性不足。这两部分的气动外形不符合空气动力学原理，导致叶片的最佳工作长度不足叶片全长的70%，风机的整体性能与效率大大降低。再次，风机设计理念的束缚。三叶片水平轴风机是在以往各类风机模型基础上提炼出来的最佳机型，特别适用于风机高度在200米左右的空间，这一理念已经深入人心，主流设计人员视其为圭臬、正统，其它技术方案很难进入其视野。但实践证明，要大幅度提高风机的单机功率，三叶片悬臂结构仅从其叶片技术角度看已经没有可能。因此，在设计理念上应当有新的思考与突破，不能墨守成规。
　　有鉴于此，笔者大胆突破传统技术路线，研究设计了一款100MW超大型风力发电机组，为实现海上风电的高效规模开发（当然也适合陆上风电场）提供技术储备。该机组采用直径600米的双掠面多叶片拉索式风轮，风轮扫掠面积28万m2，空间桁架结构的钢管混凝土塔架高度达320米，风轮最高点超过620米。等弦长、变桨距、多叶片设计，可以克服传统三叶片的不利气动影响。发电机则采用技术成熟的电励磁同步电机，与风轮叶尖气动调速，变桨距调速，偏航调速，外置同轴永磁电机调速，共同组成发电机功率调节系统，可以确保发电机处于恒速恒频工作状态。此外，重达数千吨的风轮旋转时可储存足够的动能，一定程度上能够克服由于风速或外部电网的某些瞬时变化带来的电压波动，有利于提高电能品质。
　　以上技术创新成果部分反映在笔者所拥有的国家授权专利《超大型风力发电机组》、《双掠面多叶片拉索式风力涡轮》中。至于技术认证，可以从基础、塔架、风轮系统、传动变速系统、发配电系统、控制系统分步实施，以求得整体方案的可行性，尽早进入商业化操作。
　　100MW超大型风力发电机组的优势十分明显。第一，由于机组功率巨大，一台机组相当于传统风电场全部机组的总和，因而极大地节约了风电场的土地资源。无论在陆地还是海上，一个风电场只需要安装一台机组，占地面积（占用海域）不超过3000M2，单机间距将大于5000米，这与传统风电场动辄几十平方公里的占地需求，完全不可同日而语！从某种意义上说，是把传统风电场由“片”变为“点”，这对海上风电场而言意义尤其巨大。在中国沿海，常年活跃着几十万艘各类船只，传统风电场的单机密度过大，势必影响航行、渔业乃至国防设施的安全，风电场本身也存在诸多安全隐患。此外，这种稀疏分布又远离海岸线的“点式”风电场，从安装到正常运维，能最大限度地减少对海洋环境的扰动，符合绿色环保发展理念。
　　第二，从理论上推测
　　100MW超大型风力发电机组的效率要高于由小功率风机组成的传统风电场（有待实践检验）。首先从年发电时间看，根据测算，海上风机年发电时间可按5000小时左右计，例如广东珠海桂山海上风电场按年发电时间4900小时计算，欧洲一般按4500-5000小时计。笔者估算，100MW超大型风力发电机组年发电时间应在6000小时以上。理由之一是，该机组塔架高度320米，风轮最高点620米，而风速与其平稳性在垂直高度上呈指数递增，这意味着风轮可以吸收更大更稳定的风能。实际上如此庞大的风轮，如果没有诸如故障检修等特殊原因，一般不会启动停机模式。
　　其次从风轮的工作模式看，由于传统风电场大多由小功率风机群组成，塔影效应与尾流效应十分显著，加上如前所述叶片根部与梢部的不利气动影响，将会降低风电场的发电效率。100MW超大型风机虽然也存在塔架以及拉索的所谓塔影效应，但由于风轮直径巨大，塔影效应从轮毂中心逐渐向叶尖递减。此外，风轮叶片的气动外形在径向上全程符合空气动力学原理，使得流经前扫掠面的风速风向基本不受影响，而且经过前扫掠面做功的风速经过后扫掠面时再次做功，风轮可最大限度的吸收风能，显然比小功率机群的整体效果要好。
　　第三，商业模式上寻求创新
　　全球风电产业发展到今天，已经形成了完整的产业链，主要有零部件供应、 整机制造和风电场开发等 3个环节。近年来由于市场竞争的白热化，行业内部发生许多新的变化，其中最明显的莫过于风电开发商已逐渐成为产业的主导。为适应这种变化，一些上游风电整机商开始把业务向下游延伸，如我国风电龙头企业金风科技、远景能源、明阳风电等，都已经开始或者准备试水风电场开发。
　　笔者对现阶段行业趋势做过认真研判，认为这一发展趋势符合风电行业本身特性。风电整机技术集成度高，出质保期的维护量较大，风电开发商对整机商的要求越来越高，导致整机商与开发商的利润空间都受到挤压。但从外部看，风电整机商与风电开发商更像一个整体，他们共同为电网提供电力产品。笔者认为与其人为地分割一个有机整体，还不如一体化经营这个整体，可以更有效地整合各自的优势资源，因此提出“风电一体化规模开发”的新模式。
　　所谓一体化，就是贯通风电产业的上下游环节，集产品研发、设计、制造、安装、发电、运营维护于一身，最终向用户提供优质电力产品，从中获得稳定收益。这种商业模式不是传统意义上的“贪大求全”，更不是要集成全产业链上的实体。它只是在形式上打通上下游环节，企业只做核心和关键部分，如产品的研发设计，关键零部件的加工制造，风电机组的运营维护等，凡涉及低端或传统加工业务应当全部外包。
　　与传统商业模式相比，新模式实质上改变了企业的产品属性与盈利模式，由原来向下游市场供应风电整机或运维服务，变为直接向特定用户提供电力产品。由于电力产品的特殊性，企业可以减少产品营销这个重要环节的大量投入，把有限资源集中在如何提供优质电力产品上。新模式无疑会增强企业盈利的可持续性，可以说在风电机组的全生命周期内，每年都能从电网获得稳定的收益，从而大大弱化了企业的经营风险。
　　新模式的不足之处是，企业运营要有强大的资金流做支撑，否则发展速度和规模都会受到制约。为了克服此类短板，企业在融资渠道和方式上同样要有创新和突破，在风险可控的情况下，合理利用财务杠杆，在国家退出风电补贴政策之前，把企业做大到一个适当的规模，为后续的扩张发展奠定坚实的基础。
　　那么，以100MW超大型风电机组为主导产品，采取这种创新的商业模式是否真的切实可行呢？答案可以从成本和效益分析上找到。首先从成本结构上分析。据笔者初步核算，100MW超大型风电机组的总造价在12亿元人民币以内，其中基础2亿元，塔架2亿元，机舱及其内部传动和发电设备等3亿元，风轮2亿元，控制系统1亿元，海底电缆等输变电设备1亿元，不可预见费1亿元。单位千瓦造价约合1.2万元/KW，只相当于现在已建成的我国海上风电场造价的60%，价格优势十分明显。此外，在机组的全生命周期内，由于维护作业点少，智能化自动化程度高，运维成本应当比传统风电场更低。
　　再从经济效益角度分析，如果按国家规定的海上风电上网电价0.85元/KW计算，单台机组年发电6000小时，则年发电量6亿千瓦时，年营收可达5.1亿元。即使今后上网电价与火电看齐，按南方电网火电上网均价0.42元/KW计算，单台机组年营收仍可达2-3亿元，收益率远比传统风电机组要高。从中还可以得出结论，单机年发电量所得收益，高于销售一台风电整机的一次性收益。以我国风电龙头企业金风科技2015年年报作参考，该公司以全年装机780万千瓦居全球首位，年净利润34亿元，净利润率4360万元/10万千瓦。考察我国年装机100万千瓦以上的风电企业，净利润率大致如此。两相对比，两种商业模式的盈利能力一目了然。当然，后者的资金占用规模比新模式要小，但是100MW超大型风电机组在25年的生命周期内，可以创造超过50亿元的营收，收益稳定性与持久性亦不可小觑。
　　以上分析可见，以100MW超大型风电机组为主导产品，采取一体化大规模开发风电的新模式，就是一个完美的海上风电整体解决方案。传统主流风电机组如果没有新的技术或商业模式的重大突破，将很难与之抗衡。
　　今日长缨在手，何时缚住苍龙？笔者期待与业界有识之士携手合作，共创双嬴！
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