讓我國風電技術從引進到引領

　　風電市場一直暗流涌動。
　　最新消息是，科技巨頭谷歌公司的產品研究部門GoogleX負責人對外表示，他們研發的“發電風箏”有望在4月正式飛天。事實上，谷歌在2013年時收購了一家風力發電創業公司，宣布涉足風電。近10年，世界風電裝機年均增長31.8%，成為全球最具吸引力的新能源技術。
　　任何行業的競爭都已經是全球性的。在國際科技巨頭搶灘風電市場的同時，國內風電企業近幾年也在苦練內功。其中，成立于2007年的國電聯合動力技術有限公司已經成為全球第六大風電設備制造及整體解決方案提供商。“聯合動力的發展與風電設備及控制國家重點實驗室提供的技術支撐密不可分。”聯合動力總經理、實驗室主任褚景春告訴科技日報記者。
　　風電設備及控制國家重點實驗室于2010年5月由科技部批準建設。該實驗室以風電設備及控制技術研發為中心，以研究解決我國風電產業重大共性、關鍵技術難題為主攻方向，以提高風電產業自主創新能力及核心技術競爭力為責任，為我國風電產業實現從“技術引進”到“技術引領”的跨越奠定堅實基礎。
　　瞄準行業共性問題 攻克風電核心技術難題
　　我國的風力發電始于20世紀50年代后期，初期主要是為了解決海島和偏遠農村牧區的用電問題，重點在于離網小型風電機組的建設。上世紀70年代末，我國開始進行并網風電的示范研究，并引進國外風電機組建設示范風電場，1986年，我國第一座風電場——馬蘭風力發電場在山東榮成并網發電，成為了我國風電史上的里程碑。
　　“大概在2002年左右，我國開始大規模發展風電，但當時的功率比較小，大部分是定速、定槳的設備，設備以進口為主，更重要的是，國內風電設備制造企業并不掌握核心技術。”聯合動力副總經理、實驗室常務副主任馮健告訴科技日報記者。
　　進口設備價格昂貴、核心技術缺失制約企業發展及后續服務……這些因素使得國電聯合動力成立之初就瞄準風電設備核心技術的消化吸收進而自主研發。這也是此后依托聯合動力成立風電設備及控制國家重點實驗室的初衷。
　　“風電機組制造技術涉及力學、機械制造、電力電子、電力系統、自動控制、材料等多個專業學科，依托聯合動力，重點實驗室在風電機組整體設計、風輪葉片氣動性能和新材料應用研究、風電機組控制系統及并網技術、機組降載優化等方面做了大量基礎研究，使我國風電機組制造技術由過去主要靠引進發展到引領，并掌握了關鍵核心技術。” 褚景春說。
　　基礎研究支撐風機設備全產業鏈
　　“風電機組控制的一大挑戰在于風作為一次能源的存在形式具有不穩定特性，風向、風速都處于多變狀態，風電機組控制系統設計時要考慮對這種不穩定性的適應能力，比如在山地風場就會經常出現因風速和風向的急劇變化導致風電機組超速故障或頻繁對風偏航，既影響機組安全運行又影響發電量。另一方面，風電機組作為一個巨大的旋轉設備受到動態載荷的影響非常復雜，為了克服沖擊和疲勞載荷，風電機組本體各部件、塔筒和基礎要有足夠的強度，如何實現載荷的精準把握，在成本和安全之間尋求最佳平衡點，也是一個重要課題。”馮健說，在這方面，重點實驗室應用仿真和測試技術，不斷探索，最終尋求出解決方案。
　　以2兆瓦115機型為例，他們通過自主研發的降載技術，使得風機的支撐結構塔筒的重量比初步設計減少了30噸。這意味著業主對每臺機組的投資成本降低約30萬元，以一個5萬千瓦的風場為例，其建設成本則可減少800多萬元。
　　隨著風電機組單機容量的不斷增加和低風速市場的開拓，風電機組的葉片越來越長、越重，相應的是，運輸及安裝都面臨更高難度。因而，一方面要研究高效翼型，提高風能轉化為機械能的效率;同時在葉片結構和材料方面要有突破，比如分段葉片的設計、碳纖維材料的應用等就成為一個重點。在這方面，該實驗室聯合中科院相關科研單位，共同承擔了科技部863項目，開展了高效翼型的研究，通過建立高雷諾數風力機專用翼型氣動數據庫，并對原有氣動力數據進行修正，完成大尺度葉片氣動外形設計與優化，提高葉片的強度與剛度，降低葉片的重量，并且提出了葉片分段分離面的連接創新方案，所設計的葉輪最大氣動功率系數達到0.506，整機最大風能利用系數達到0.48以上，均達到國際領先水平。首次在國內第一臺自主研發的6MW機型上使用碳纖維來制造超大型葉片，此前的葉片材料主要是玻璃纖維。