中國儲能網(wǎng)訊：近年來，在“雙碳”目標指引下，我國基本形成全球最具競爭力的風電產業(yè)體系和產品服務，并呈現(xiàn)大型化、智能、綜合利用等發(fā)展趨勢。展望“十四五”時期，我國風電科技將圍繞技術創(chuàng)新、產業(yè)協(xié)同、智能化、低碳化的發(fā)展方向，重點突破關鍵技術，引領全球風電科技發(fā)展，進一步促進成本下降，支撐風電大規(guī)模高質量發(fā)展。
一、國內外風電技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
（一）世界風電技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
全球風電機組單機功率大型化趨勢明顯。2020年全球新增海上風電機組的平均功率已經(jīng)突破6MW，而新增陸上風電機組的平均功率也達到2.9MW。目前，西方主要風電機組正向10MW以上方向發(fā)展，西門子8~10MW風電機組、通用電氣12MW風電機組乃至更大功率電機已經(jīng)投入使用，140~170米高塔架也已規(guī)?；瘧茫畲箫L電機組葉片已達200米以上。未來十年海上風電機組的平均額定功率將翻一番，6MW以上機型占據(jù)海上風電絕對主導地位，8~10MW研發(fā)和投產速度加快。全球風能理事會（GWEC）預計2025年全球新增海上風電機組的平均功率將達到11.5MW，而新增陸上風電機組的平均功率也將增加到4.5MW，預計2030年海上風電機組的額定功率將達到20MW，風輪直徑將達到300米。
全球風電機組主流技術路線為雙饋型、直驅型和半直驅型。近50年來，全球風電技術經(jīng)過了四個階段的演變：定槳定速、主動失速、變槳變速+雙饋、永磁+直驅+全功率，技術發(fā)展趨勢是日趨簡單、高效、可靠、友好。國外陸上風電已經(jīng)全面進入4.X/5.XMW平臺主導全球市場，并進入6MW時代。雙饋技術路線起步最早，大面積應用于陸上風電且存量裝機占比最大。直驅技術路線近年發(fā)展迅速快速成熟。半直驅技術路線起步最晚，裝機占比目前仍較小但增長迅速。隨著海上風電和大兆瓦化的發(fā)展，半直驅海上風電機組市場份額快速上升。
全球海上風電裝機規(guī)模不斷擴大。2020年底全球海上風電累計裝機規(guī)模達到3520萬千瓦，是五年前的三倍。根據(jù)GWEC的數(shù)據(jù)顯示，5年來全球海上風電累計裝機量呈現(xiàn)逐年上升趨勢。從2016年的1450萬千瓦上升至2020年的3530萬千瓦，而中國的裝機容量也達到了707萬千瓦，占比達到了20%。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)（BNEF）預測，到2030年全球海上風電裝機規(guī)模將達到1.54億千瓦。
開展漂浮式風電和風電制氫技術示范，推動風電向深遠海邁進。日前，歐洲風能技術與創(chuàng)新平臺（ETIP-Wind）發(fā)布了《風能路線圖》，確定了2020~2027年間歐盟風能技術五個重點領域的研發(fā)優(yōu)先事項，包括：并網(wǎng)及系統(tǒng)集成、運行與維護、下一代風能技術、降低海上風電成本相關技術和浮動式海上風電等。路線圖指出了各技術領域面臨的關鍵挑戰(zhàn)和近、中、遠期研發(fā)優(yōu)先事項，明確了研發(fā)優(yōu)先級。此外，美國和歐盟均提出了深遠海海上風電和綠電制氫發(fā)展戰(zhàn)略，加速推動海上風電產業(yè)的發(fā)展。通過示范項目，眾多歐洲國家在國家層面大力支持深水風電的部署，計劃將其從研究階段部署到商業(yè)范疇。2020年全球宣布開發(fā)的綠色制氫項目規(guī)模達到5000萬千瓦，澳大利亞、英國、德國、奧地利、荷蘭、比利時紛紛布局海上風電制氫，殼牌公司計劃到2040年達成1000萬千瓦海上風電裝機規(guī)模、年產80萬噸綠色氫氣的目標，實現(xiàn)領跑全球。
（二）我國風電技術發(fā)展現(xiàn)狀
風電裝備已形成較為完備的產業(yè)體系。我國風電經(jīng)過20多年的技術引進、消化吸收和自主研發(fā)，風電裝備已涵蓋雙饋、直驅和半直驅三條主流技術路線，形成適應低風速、低溫、鹽霧、臺風、高原、海上等多種特殊環(huán)境的成熟產品體系。其中，我國自主研發(fā)的低風速型風電機組，已將可利用的風能資源下探到4.8m/s左右，這不但提高了低風速地區(qū)風電開發(fā)的經(jīng)濟價值，還極大提高了我國風能資源開發(fā)潛力，在全球處于領先地位。我國已形成較為完備的風電設備配套產業(yè)鏈，除風電變流器、主軸軸承仍然主要由國外品牌占據(jù)外，海底高壓電纜、風電功率預測裝置等風力發(fā)電相關附屬設備逐漸打破國外技術壁壘，正加速實現(xiàn)國產替代，風電設備零部件國產化率達到95%以上，國內風電裝機90%以上采用國產風電機組。
風電機組研發(fā)創(chuàng)新與國際總體保持同步。我國于21世紀初實現(xiàn)了600kW級和750kW風電機組的批量生產能力，國產MW級風電機組于2006年開始批量生產。經(jīng)過十多年的發(fā)展，到2020年中國陸上風電場主流機型單機容量已提高到2.0MW~2.9MW（最大為5MW），陸上風電機組平均單機容量達到2.6MW，比2010年增長76%；海上風電場主流機型單機容量已達到5.0MW以上，10MW海上風電機組已開始試驗運行，海上風電機組平均單機容量達到4.9MW，比2010年增長85%。截至2020年底，我國8家風電機組整機制造企業(yè)進入全球前15名，產能占全球風電機組整機制造能力的35%以上，2020年我國產業(yè)鏈產品占比達54%以上，成為全球最大的風電裝備制造基地。2020年底，風電設備出口到34個國家和地區(qū)，已累計出口約2730臺風電機組，（發(fā)運）容量接近640萬千瓦。
技術創(chuàng)新和規(guī)模效應加快促進風電成本下降。過去10年，通過高塔架、翼型優(yōu)化、獨立變槳、場群控制、環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化、涂料改進和測風技術等技術創(chuàng)新，我國風電發(fā)電效率提高了20%~30%，發(fā)電量提升了2%~5%，運維成本下降了5%~10%。在技術創(chuàng)新、規(guī)模效應的雙重促進下，我國風電設備價格降低了近65%，風電場開發(fā)造價降低了近40%，平均度電成本下降了40%以上，而發(fā)電性能和可靠性得到了進一步提高。在國家政策的指引下，我國陸上風電已實現(xiàn)平價上網(wǎng)，未來開發(fā)成本將低于化石能源，海上風電也將逐步實現(xiàn)平價上網(wǎng)。
（三）我國風電技術發(fā)展趨勢
為貫徹習近平總書記在氣候峰會上重要講話精神，落實到2030年風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上的決策部署，預測“十四五”末風電并網(wǎng)裝機規(guī)模將達到5億千瓦以上，2030年并網(wǎng)裝機規(guī)模預計將達到7億千瓦以上，風電整機和零部件制造、勘測設計、施工建造、運行維護、拆除回收等產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的市場需求均持續(xù)擴大，風電將迎來空前發(fā)展機遇與發(fā)展空間。未來風電技術的發(fā)展方向及趨勢主要有以下幾方面：
裝備制造技術朝“大功率、高塔架、大葉片”方向發(fā)展。為破解土地資源約束問題和降低建設成本，推動“提質增效”，大功率、長葉片、高塔筒風電機組技術是主要方向。我國陸上新裝風電機組單機已在3WM以上，海上風電單機容量也均已超過5MW，金風科技陸上8MW直驅永磁風電機組已完成吊裝，東方電氣10MW海上風電機組也已在福建興化灣并網(wǎng)發(fā)電。大功率風電機組的應用，可大大提高風電開發(fā)建設的效率，有力降低開發(fā)建設成本，進一步促進風能資源的最大化利用。
開發(fā)建設技術朝“深遠海、大漠、高原”區(qū)域發(fā)展。受到土地、生態(tài)等各項限制性因素制約和資源承載力限制，以及隨著特高壓技術的成熟和基礎設施的完善，未來陸上風電在因地制宜開發(fā)中小型風電場的基礎上，加強西部大漠、高原等地區(qū)的發(fā)展，形成規(guī)?；?、基地化建設項目；得益于大功率風電機組技術、漂浮式風電技術和柔直送出技術的成熟，我國海上風電也將逐漸走向深遠海海域。
運維管理技術朝“智能化、信息化、標準化、集群化”方向發(fā)展。目前，風電場智能化運維技術正在向著信息化、標準化、集群化的方向發(fā)展，主要包括風電機組和風電場綜合智能化傳感技術，風電大數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲、整合及快速搜索提取技術，大型風電場群遠程通信技術，以及風電場集群智能調控技術等。運維管理技術的進步，將大大提高未來風電場運維管理效率，并重新塑造風電場未來形態(tài)，推動大規(guī)模風電場集群及少人無人值守電站的普及。
風電綜合利用技術朝“就近消納、多能互補、融合創(chuàng)新”方向發(fā)展。分布式能源應用技術、柔性并網(wǎng)技術、儲能技術以及微電網(wǎng)調控技術的發(fā)展成熟，將促進“就近消納、多能互補、融合創(chuàng)新”能源利用的推廣普及。此外，風電電源和傳統(tǒng)電源、儲能、負荷、其他新能源、充電樁和智能配電保護系統(tǒng)等都會產生更多元和深入的互動，在運行控制、信息交互和安全方面必將有廣闊的技術發(fā)展空間。
二、“十四五”風電技術發(fā)展方向及發(fā)展目標
“十四五”期間，我國將落實集中式開發(fā)與分散式開發(fā)并舉、陸上風電建設與海上風電建設并舉、就近消納與外送消納并舉、單品種開發(fā)與多品種互補并舉、單一場景與綜合場景并舉，并結合我國制造業(yè)轉型升級的國家戰(zhàn)略，積極推動整機設備和零部件出口?！笆奈濉蔽覈L電技術發(fā)展的重點方向是推動風電機組向大型化、輕量化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，加快大功率風電機組與高塔架、大葉片的技術組合迭代速度，借助信息化、集群化以及多學科的交叉融合，實現(xiàn)葉片、主軸承、控制元器件等關鍵核心技術突破，打造自主可控、安全高效的風電產業(yè)鏈供應鏈。
2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上提出了我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標，對我國能源電力發(fā)展提出了新要求。據(jù)預測，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，到2030年，我國風電裝機需要達到7~9億千瓦；到2060年，則需要達到25~30億千瓦。風電在迎來空前發(fā)展機遇與發(fā)展空間的同時，也面臨諸多挑戰(zhàn)，風電技術創(chuàng)新將成為應對這些挑戰(zhàn)的關鍵因素。
加強技術創(chuàng)新，零部件制造國產化替代進程加速。國內風電機組原來以低單機容量為主，相關零部件制造技術的突破相對比較容易。隨著單機容量的提高，作為風電機組核心部件的軸承、齒輪箱和控制系統(tǒng)等因為具有相對高的技術壁壘，國內市場的供應仍然存在瓶頸。未來風電產業(yè)國產化替代將加速進行，其中，超大型風電機組的核心零部件國產化進程決定了大型風電機組是否能夠滿足市場需求。
推進產業(yè)鏈協(xié)同，實現(xiàn)風電裝備“大功率、高效能、智能化、低成本”。提高效能、降低成本是促進風電產業(yè)持續(xù)大規(guī)模發(fā)展的重要措施，大功率風電機組在減少土地占用、降低投資成本和提高風能資源利用效率方面有巨大優(yōu)勢，是未來風電裝備制造發(fā)展的趨勢，未來更大功率、更長葉片、更高輪轂的風電機組將陸續(xù)出現(xiàn)并大規(guī)模應用。另一方面，為構建智慧型能源系統(tǒng)，提高風電場運營管理效率，借助先進的傳感器技術，具備全感知能力的風電機組將成為未來主流。
應用智能化技術，推動風電產業(yè)衍生新業(yè)態(tài)。具備全感知能力的風電機組推動基礎設施智能化革命，重塑能源生產和社會分配方式，實現(xiàn)綠色生產、交易、傳輸、使用全過程的智能化。借助先進的傳感器技術，以智能化為手段，以分布式風電為中心搭建虛擬電廠和能源利用中心，實現(xiàn)與大電網(wǎng)互為補充備用，推動電力運營、交易和結算等商業(yè)模式的成熟，能源共享萬物互聯(lián)的理念有望走向現(xiàn)實，風電企業(yè)也將從制造走向運營和服務，風電產業(yè)的外延將不斷打開。
健全風電全生命周期綠色循環(huán)產業(yè)，實現(xiàn)全產業(yè)鏈脫碳。風電設備退役后，大多數(shù)機組的部件可回收，包括基礎、塔筒、齒輪箱和發(fā)電機等，但風電葉片由玻璃纖維復合材料、塑料和樹脂加工而成，較難回收，將增加環(huán)保壓力。研發(fā)具有替代性可回收材料的“零廢風電機組”，推動實現(xiàn)上游金屬原材料開采，下游運輸、吊裝、運維及設備退役處理全生命周期內的“零碳排放”將成為未來發(fā)展方向。
三、風電“十四五”科技發(fā)展展望
根據(jù)習近平總書記2020年12月在氣候雄心峰會上提出的“到2030年非化石能源占一次能源消費比重達到25%，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上”的目標要求，“十四五”期間可再生能源將成為我國能源消費增量的主體。隨著風電裝機規(guī)模的不斷增加和產業(yè)技術創(chuàng)新能力的持續(xù)提升，降低全生命周期的度電成本是規(guī)?；L力發(fā)電技術進步的主要方向。未來 5~10 年主要發(fā)展大型、高可靠性、高效和適應我國風能特點的風電技術，重點開展大型風電機組關鍵技術、深遠海域海上風電關鍵技術、風電數(shù)字化設計與運維技術等。
（一）發(fā)展超大型海上風電機組核心部件關鍵共性技術
風電機組繼續(xù)保持向大型化、定制化和智能化方向發(fā)展，為把握世界風電技術前沿及發(fā)展趨勢，應集中攻關超大型海上風電機組核心關鍵共性技術，重點研究整機設計技術、超大型葉片的氣動及結構設計、中高速傳動技術、中高速同步發(fā)電機、整機載荷控制、環(huán)境適應性等技術、全功率變流技術、控制技術等，為大型陸地風電場和海上風電場建設做好技術儲備。
（二）加強深遠海域海上風電開發(fā)成套關鍵技術
隨著深遠海開發(fā)提上日程，漂浮式海上風電技術將得到進一步發(fā)展和應用。將集中攻關深遠海域海上風電開發(fā)關鍵技術，研究深遠海域漂浮式測風、雷達測波、大型海上風電換流平臺以及直流海底電纜的設計、建造、施工等關鍵技術，儲備海上風電場柔性直流系統(tǒng)及成套技術、柔性直流換流站平臺技術；掌握大水深風電機組基礎結構整體耦合設計、振動控制與建造安裝關鍵技術，建立支撐10MW及以上大型海上機組的施工及運維技術，探索深水區(qū)域漂浮式風電機組基礎設計與施工建設技術。
（三）加強風電設計類軟件研發(fā)
風電機組智能化的關鍵是軟件的開發(fā)應用，未來軟件開發(fā)的投入將大幅度增加，開展風電機組整機和關鍵部件的設計工具研發(fā)，突破風電機組氣彈耦合仿真關鍵技術，打破被歐美長期壟斷用于設計研發(fā)的工程分析軟件的局面，將有助于建立行業(yè)技術生態(tài)圈，培育系統(tǒng)成熟的風電技術，進一步降低度電成本，使我國風電技術具備國際競爭力。
（四）加強風電場智能化和試驗平臺建設
風電數(shù)字化與智能制造、風電試驗測試技術、風電場運維智能物聯(lián)平臺等也是前沿研究問題。推動風電產業(yè)鏈數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，構建上下游協(xié)同研發(fā)制造體系，集中攻克自適應控制、風電場場群尾流控制、數(shù)字孿生等數(shù)字化風電技術，推動陸上風電精細化運維、海上數(shù)字化運維、智能故障診斷預警，以及全尺度地面?zhèn)鲃渔湝y試系統(tǒng)、海上風電測試技術實證基地建設，推動風電產業(yè)整體技術進步。
（五）發(fā)展廢棄風電設備無害化處理與循環(huán)再利用技術
我國風電發(fā)展已歷經(jīng)二十余年，越來越多的風電機組將達到設計壽命，退役風電機組的處理與應用將對資源利用、環(huán)境保護、全生命周期成本產生較大影響。為此，應著重加強對葉片及永磁材料的分解回收方法研究，掌握低成本、低污染、高效率的風電機組零部件回收與再利用核心技術，突破葉片低成本破碎、有機材料高溫裂解、玻纖再循環(huán)利用以及巴莎木循環(huán)再利用等技術，提升能源資源利用效率，推廣風電機組回收再利用技術，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。
（六）加快實現(xiàn)風電領域新材料技術突破
新材料應用將成為風電行業(yè)突破的熱點區(qū)域?；谀壳跋嚓P材料在風電產業(yè)中的應用現(xiàn)狀，需要加大材料國產化替代的關鍵技術研究，包括具有特殊性能的新型軸承材料，鑄鐵材料，永磁發(fā)電機高密度材料，高強度、低密度碳纖維材料，葉片前緣保護材料和熱塑性復合材料等，將新的材料和工藝不斷應用到風電設備制造中，實現(xiàn)高效、靈活、低成本地風能獲取。
