如何讓我國從一個風電大國，

成為一個風電強國？

李慶安· 中國科學院工程熱物理研究所研究員

格致論道第99期 | 2023年7月29日 北京

大家好，我是李慶安。今天非常榮幸有機會跟大家聊一聊我們團隊和海上風電之間的故事。

海上風電將成為主力能源

我國現在的發電方式以煤炭燃燒為主，「雙碳」目標的提出，意味著咱們國家會掀起一次能源改革的浪潮，我們學術界叫「能源革命」。我們需要在未來的30-40年裡構建以新能源為主體的新型發電體系。

▲來源:彭斯新能源財經

這是我國未來發電結構的預測圖。目前風能只是輔助能源，到2050年就會成為發電能源的主力軍。為什麼這麼說？這主要是由我國的風資源情況決定的。

這張版圖展示了我國的風資源分佈情況。我國的風資源主要集中在東北、西北、華北的「三北」地區與東南沿海地區，呈「人」字形分佈。風電場也主要集中在這些高風速區。

未來的風電場的建設主要分兩步走。第一步向內陸推進，第二步向海上進軍。但是我國的用電負荷中心主要集中在東南沿海這些發達城市，因此未來的供電主力軍就是海上風電。

▲歷年中國海上風電裝機容量

我國的海上風電目前處於什麼樣的發展階段呢？這張圖顯示的是2012-2022年中國海上風電發展趨勢。從中可以看出，中國海上風電發展十分迅速，尤其是2020年提出「雙碳」目標以後。

▲全球海上風電累計裝機情況（截至2022年底）

截止到2022年，中國的海上風力發電裝機總量已經超過了英國，成為全球第一，約佔全球海上風電裝機總量的49%，將近一半。

海上風電有獨特的需求

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那麼，海上風電和陸上風電又有什麼本質區別？

首先，海上與陸上相比，風資源儲量更為豐富，且平均風速比陸上的更高，湍流強度更低，這就意味著從海上可以捕獲更多的風能。第二，我們考慮過把傳統的陸上風電機組直接移植到海上，但後來發現這個傳統的技術路線不太好用，因為海上風電有自身的特殊性。

▲資料來源：GWEC

海上風電機組在吊裝、運輸、安裝以及後期運行和維護的過程中成本都非常高。為了降低度電成本，海上更適合安裝超大型風電機組。目前的陸上風電機組容量基本上都是6兆瓦，最大的是8兆瓦。但是海上風電機組容量一般是5兆瓦起步。

▲金風16兆瓦海上風電機組（併網）

這是2023年7月剛剛併網的金風科技的16兆瓦海上風電機組。它的葉輪直徑長達252米，掃風面積達到5萬平方米。在額定工況下，它每轉一圈可以發電34.2度。如用它代替傳統化石燃料發電一年，減少的二氧化碳排放量可以達到5.4萬噸，減碳效果十分顯著。

▲海裝H260-18兆瓦海上風電機組（下線）

這臺樣機是海裝H260-18兆瓦的風電機組。這颱風電機組剛剛完成下線，預計在2023年晚些時候併網。它的葉輪直徑可以達到260米，掃風面積5.3萬平方米，在額定工況下每轉一圈可發電44.8度電，一年減碳量可以到6.1萬噸。

▲目前全球最長葉片：東方電氣126米葉片

目前，全球最長的風電葉片已經做到了126米。這說明國內的大型風電機組正在領跑世界。

▲來源：國家氣象局

對更長葉片的追求也是由我國的風資源情況決定的，這是我國海上100米高度平均風速分佈圖，顏色越深代表平均風速越高。

▲我國海上可開發風資源儲量（來源：國家能源局）

我們可以看到，相較於深遠海的風資源，我國的近海風資源儲量處於劣勢，儲量大約為500吉瓦（GW），而深遠海的風資源儲量是近海的3倍以上。目前，我國已開發的近海風資源裝機總量為31.4吉瓦，但是在深遠海我國只有一臺樣機做到了併網發電，也就是三峽「引領」號。它的裝機容量是5.5兆瓦。可以說，我國深遠海的風資源基本上處於未開發狀態。

▲全球已建成及規劃中的浮式風電項目（截至2020年）

這是全球海上漂浮式風電機組的發展情況。在2009年，挪威研製出了世界首臺2.3兆瓦的風電機組，它是一臺漂浮式風電機組。而我國在2021年才研製出首臺5.5兆瓦風電機組。相較於國外，我們落後了十幾年。

無論從裝機總量來看還是從近海的超大型風電機組來看，我們是一個風電大國，但還不是一個風電技術強國。如何讓中國變成一個風電強國？我們團隊在以下幾個方面攻破了一些核心技術。

設計符合中國風場的葉片

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在海上風電機組中，葉片是捕捉海上風力最核心的部件。

在20世紀90年代，國內的風電場建設主要靠進口，包括葉片。整個產業鏈都是從歐洲引進的，引進之後再進行生產製造，然後在國內安裝。現在，我們國內的產業已經開始走出國門，例如金風科技和明陽智慧的一些機組已經遠銷海外。

但無論是上世紀90年代引進國外機組的時候，還是現在我國機組對外銷售的時候，都面臨著一個問題：機組會「水土不服」。這造成的第一個問題是發電量不足，第二個問題是特別容易壞。從這些工程問題中，我們就反推產生這種現象的原因，最終發現問題在於葉片設計上。

葉片設計的時候，包括咱們國家在內，過去都採用的是一個國外軟體。國外的技術人員在研究這個軟體進行資源分析的時候，採用的都是自己國家的風資源資料。而這些資料跟我國的風資源資料不匹配，所以才造成了進口的機組在中國「水土不服」、出口的機組在他國「水土不服」的局面。

風資源資料屬於國家戰略安全資料，不可能對其他國家開放，所以要研製中國的風電機組，我們必須採用中國的專用軟體，必須跟中國的風資源匹配到一起。

設計風電葉片有幾個流程：首先是葉片的仿真階段，仿真完之後我們會利用風洞實驗進行驗證，接著做外場測試，然後再生產製造，最終成功掛機，這個型號才算被設計出來。

用風洞實驗進行驗證的過程中需要一個非常核心的技術，叫動態湍流格柵。正常做風洞實驗時，風洞吹出來的風很穩定，風速和風向基本不會發生大的波動。但是，自然界的風並非穩態，風速和風向經常發生變化，風力具有隨機性。因此，如何在風洞裡模擬自然風況就是我們需要解決的問題，也制約著設計葉片的能力。

▲風洞與動態湍流格柵

在2018年的時候，這樣的動態湍流格柵裝置在世界上只有3個國家能做。我回國之後，就在中國科學院工程熱物理研究所開發出屬於我們自己的裝置。這臺設備可以模擬陸上、海上、草原山地、丘陵等不同環境下的自然風況。

對於葉片設計來說，第一個難題是氣動上的問題，就是「動態失速」問題。而且這個問題不可規避。圖中上面的白色流線緊貼著葉片表面走的時候，發電效率很高，性能也非常好。但是，在風電機組的真實運行過程中，氣流會從葉片表面脫離，我們就把這種現象就叫做動態失速。

傳統的設計軟體在遇到湍流的時候，就不能保證精度，也就是說不能精準地捕捉流動分離的區間。我們利用了一些核心技術，比如壓力分佈技術（上圖右上），可以精準地定位葉片表面哪一段哪一個區間發生了流動分離。這種解決方式是從空氣動力學的角度考慮的。

我們還有另一個叫視覺化實驗的技術手段（上圖右下）也可以解決這個問題。我們從流場的角度出發，可以用絲線Tuft實驗捕捉到它的流動序列時間，之後跟壓力分佈相互驗證，由此來精準定位流動分離區間。

我們小時候玩水時，把手指頭伸到水缸裡一劃，後面就會出現漩渦。氣動也是這樣的，氣流從葉片表面發生流動分離之後，也會產生一個漩渦，也就是再附著現象，這個也捕捉不到。所以，我們採用了一個叫油膜法的新技術（上圖左上），這樣就可以觀察到分離泡的大小。

這是第一個氣動的問題，我們用尖端技術解決掉了，這樣我們就能夠儘可能地捕捉到壓力分佈和流場特性之間的內在規律。

第二個問題是氣彈顫振，長度在100米以下的葉片一般不會遇到。氣彈顫振的現象是在風電機組的運行工況轉速除以氣彈顫振臨界速度等於1.0的情況下產生的。因此一開始我們在100米以下葉片的時候發現不了這個問題。

在超大型葉片裝機之後，我們發現這個風電機組運行的時候很不穩定，尤其是葉片容易掃塔和顫動，於是開始反推查找漏洞。這也是通過工程問題來反推背後科學原理的過程。

我們先排查這個問題來源於哪個階段，是設計階段、製造階段還是工藝階段。排查的結果告訴我們整個鏈條都沒有問題。後來我們發現這是出現了新的科學問題，就是氣彈顫振。於是我們團隊基於一些國外的經驗開發出了氣彈顫振抑制技術。

解決了氣動、氣彈之後，我們還研究出了非常尖端的外場測試技術。中國科學院工程熱物理研究所是國內唯一一個有外場測試基地的研究所。

我們有很多的機理、機制只能通過外場測試驗證，而有了外場測試驗證，仿真模型精度也得以提高，形成一個完整的閉環。

基於以上技術，我們開發了具有自主智慧財產權的中國科學院系列風電葉片設計平臺和最佳化平臺。

在整個葉片設計的流程中，從二維翼型開發到仿真、風洞實驗，再到三維葉片設計，再到整個風電機組，最後到整個風電場。我們重點關注的是風洞實驗和外場測試，而不是基於理論和仿真，因此我們設計的葉片性能更好。

▲研究開發CAS-W系列風力機翼型族

中國科學院開發的葉片系列，也叫翼型族，其中包括了中國第一款兆瓦級的葉片。後來我們又與一些企業進行合作，比如跟中國海裝合作了一臺5兆瓦的海上風電機組，位於如東風電場。這颱風電機組的運行時長已經打破了世界紀錄，年發電小時數超過了3800小時。

我們還跟雙瑞公司共同參與了國內第一款百米級的葉片的研製，這款葉片總長度102米。在這款葉片的研製過程中，我們主要承擔研發的就是抗颱風技術。

▲國內最長檢測平臺150米

在2022年，非常榮幸由中國科學院牽頭制定了一個國家重點研發計劃。計劃的內容是到2025年，我們需要到研製出全球最長的一款葉片，長度達到150米，對標匹配的風電機組要做到容量20兆瓦及以上。

突破漂浮式風電的瓶頸

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海上風電的另一個核心問題來自於漂浮式風電裝備。海平面以上有風電機組，海平面以下有漂浮式浮體，海床上面有繫泊系統，這3個關鍵零部件之間如何相互影響，也是需要我們攻克的核心問題。

漂浮式風電是一個強非線性的多物理場耦合系統。它涉及很多不同學科，有空氣動力學、結構力學、水動力學，還有自動控制，是一個多學科交叉的複雜系統。

目前漂浮式風電機組的樣機研製資料特別少，能夠提供給仿真環節的資料也非常少，因此縮比樣機研製、氣動裝置研製和水動力裝置研製，對我們來說是都是非常大的挑戰，而且模型的慣性和黏著性是無法同時滿足的。

在最初開始做漂浮式風電機組樣機研製的時候，我們的第一個想法是，能不能把傳統陸上風電機組直接放在漂浮式這個浮體平臺上？後來經過研究發現，不好用。

什麼原因呢？設計理念不一致。對漂浮式風電機組來說，海平面以上的風電機組的設計理念是要儘可能利用風載，也就是要設計偏航或者變槳讓它能夠動態調整，儘可能捕獲更多風能以提高發電量。而海平面以下的海洋工程裝置的設計理念是要降低風載，降低風載的目的就是儘可能讓這個浮體平臺保持平穩。

這是從設計理念這個角度來講，我們還可以從驗證的角度來看。

研究空氣動力學相關性能的主要是風洞實驗。研製風洞實驗縮比樣機的時候，我們遵循的準則是雷諾數相似。但是在做水池實驗時，我們捕捉的是水動力學性能，它遵循的準則是弗洛德相似。也就是說滿足了水動力學要求就保證不了氣動，保證了氣動就又會損失了水動力學性能。所以說在這裡存在一個失真的問題，是一個矛盾體。

我們團隊為了解決這些問題，開發了自己的在環測試系統。我們將風電機組、水動力學和空氣動力學綜合放在一個平臺裡邊，包括仿真平臺和實驗驗證平臺，由此來進行綜合測試，突破了這個技術的瓶頸。

如何控制漂浮式海上風電機組也是我們面臨的一個難題。控制傳統的陸上風電時，不需要考慮波浪和洋流對浮體衝擊的影響。但是海上漂浮式風電機組會隨著波浪和洋流來回晃動，所以傳統的陸上風電機組的控制模式在海上不再高效了。於是我們向大自然學習，最終解決這個問題。

這是一隻雞，我們參考的就是「雞頭理論」。大家可以看到，這隻雞來回晃動的時候，它的頭非常平穩。

我們結合了直升機的旋轉理論和這個原理，把它們應用到漂浮式風電機組上。

我當時在日本工作，把這個技術應用到了當時全球最大的7兆瓦浮式風電樣機上，並進行了驗證。

要讓中國海上風電彎道超車

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回國之後，我非常榮幸地參與了國內一些項目的研製，還深度參與了國內第一臺深遠海浮式風電樣機。

▲「引領號」

2021年，國內研製了首個具備抗颱風性能的漂浮式風電三峽「引領號」，它的容量是5.5兆瓦，平均吃水線達到了29米。

▲「扶搖號」

接下來是國內首臺深遠海漂浮式風電海裝「扶搖號」，是中國海裝的。它的吃水線達到60米，具備深遠海的特性。在樣機研製過程中，我們重點研究氣動、水動一個多體多場耦合的問題，解決了縮比樣機載荷失真的問題。

這是「扶搖號」安裝的現場介紹。

總體來說，世界範圍內漂浮式風電機組的研發仍處於技術探索的階段，到目前為止沒有任何國家實現了商業化。中國在未來能不能實現彎道超車，就需要我們探索出一個新型風力發電形式。

▲左：多風輪風電

中：垂直軸風電

右：風能波浪能互補發電

比如左圖中的多葉輪風電機組。多葉輪風電機組是指幾臺風電機組共用一個平臺。中圖是漂浮式垂直軸風電機組，它與傳統水平軸之前最本質的一個區別是它在運作時沒有風向要求，可以360度隨便吹。而大型的水平軸對風向是有嚴格的要求的，大家可以觀察到它的機艙上有一個風速風向測量儀作為對風裝置，對著風吹時發電量會比較高。右圖是風能、太陽能、波浪、儲能結合到一起的新型發電裝置。不過這個裝置還是處於概念階段或者說樣機研製階段。

在我國的政策支持下，海上風電得到了快速發展，在技術上已經進入了一個無人區。非常期待大家能和我一起探索海上風電新領域。

謝謝大家！