風(fēng)力發(fā)電作為新能源的一種，其創(chuàng)新的之處不僅在于其所利用的資源是新型能源，更在于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展更多依靠技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，而不是化石能源時(shí)代依靠大自然賦予的能源資源。不論是化石能源還是新能源，能源作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為社會(huì)提供廉價(jià)的能源是擴(kuò)大其發(fā)展規(guī)模，提升其在能源系統(tǒng)中地位的根本。降低化石能源成本主要途徑是依靠自然賦予的豐富資源，以快速攫取化石能源資源來(lái)降低，而化石能源的技術(shù)依靠技術(shù)創(chuàng)新。成本降低主要依靠創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)。風(fēng)力發(fā)電取得今天舉世矚目的成就，成為許多國(guó)家重要的電力來(lái)源便是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不斷技術(shù)創(chuàng)新取得的成果體現(xiàn)。展望未來(lái)，風(fēng)電將在全球和我國(guó)的電力能源中占據(jù)重要地位，有權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)未來(lái)到碳中約三分之一的電力由風(fēng)電提供。當(dāng)前，風(fēng)電已經(jīng)從依靠補(bǔ)貼的發(fā)展階段正在全面邁入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，沒(méi)有了政府的補(bǔ)貼，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更需要依賴技術(shù)創(chuàng)新取得技術(shù)進(jìn)步，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)為創(chuàng)新能力的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)。持續(xù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)力發(fā)電的必然要求，那么技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)在哪兒值得關(guān)注，有必要開(kāi)展深入研究。

一、風(fēng)電發(fā)展歷史與技術(shù)創(chuàng)新

風(fēng)能利用歷史非常久遠(yuǎn)二手吊車，應(yīng)用范圍很廣。受制于技術(shù)限制，早期的風(fēng)能利用裝置主要以單純提供動(dòng)力為主。早在公元前數(shù)世紀(jì)人們就利用風(fēng)力提水、灌溉、磨面、舂米。埃及尼羅河上的風(fēng)帆船、中國(guó)的木帆船，都有兩三千年的歷史記載，可見(jiàn)風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。由于風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)創(chuàng)新較少，類似的應(yīng)用持續(xù)了非常長(zhǎng)的時(shí)期，而且當(dāng)時(shí)的風(fēng)能利用設(shè)備尺寸較小。

隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，風(fēng)能利用的效率比傳統(tǒng)的應(yīng)用方式大幅度提升。風(fēng)機(jī)的應(yīng)用從傳統(tǒng)的提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力的設(shè)備進(jìn)而發(fā)展為用來(lái)發(fā)電的設(shè)備，甚至建成風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。

1888年，Charles Brush搭建了第一個(gè)大型直徑17米，有144個(gè)由雪松木制成的葉片，功率為12千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在發(fā)明了風(fēng)力發(fā)電機(jī)這一巨大的革命性創(chuàng)新之后，風(fēng)能利用從此開(kāi)辟了新的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)時(shí)相關(guān)的公司獲得了很大的業(yè)務(wù)量，那就是將原來(lái)的風(fēng)車改造為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，新技術(shù)的發(fā)展為當(dāng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電公司創(chuàng)造了新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。但是，當(dāng)時(shí)的風(fēng)機(jī)葉輪相當(dāng)復(fù)雜葉片數(shù)量高達(dá)144個(gè)，而當(dāng)前葉片的數(shù)量?jī)H為2-3個(gè)。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于發(fā)電到第二次世界大戰(zhàn)期間，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展比較緩慢。

二戰(zhàn)期間，丹麥風(fēng)電公司發(fā)明了2-3個(gè)葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大幅提高了發(fā)電效率，這也是目前普遍采用的風(fēng)機(jī)葉片的模式。從二戰(zhàn)到70年代末中東石油危機(jī)期間，風(fēng)力發(fā)電主要應(yīng)用以離網(wǎng)發(fā)電方式解決美國(guó)、歐洲等國(guó)的缺電問(wèn)題，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分緩慢。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)機(jī)的功率不斷增大，應(yīng)用的主要場(chǎng)景從離網(wǎng)逐步擴(kuò)展到并網(wǎng)。進(jìn)入20世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展階段以70年代中東石油危機(jī)為分界線，70年代之前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展主要以離網(wǎng)發(fā)電為主。離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電主要解決偏遠(yuǎn)美國(guó)、歐洲等偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的供電問(wèn)題。

進(jìn)入70年代到現(xiàn)在，風(fēng)力發(fā)電被稱為現(xiàn)代化的發(fā)展階段，呈現(xiàn)出單機(jī)規(guī)模顯著增加，商業(yè)化發(fā)展迅速，競(jìng)爭(zhēng)力顯著增強(qiáng)，從離網(wǎng)向并網(wǎng)轉(zhuǎn)變。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出這些新的特征主要是全球?qū)τ谀茉窗踩年P(guān)注度提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增加以及風(fēng)電自身經(jīng)濟(jì)性競(jìng)爭(zhēng)力的提高。末期中東石油危機(jī)引發(fā)了全球?qū)δ茉窗踩母叨汝P(guān)注，能源革命被高度重視，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍開(kāi)始研究和推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)展在這個(gè)階段得到了快速發(fā)展，從過(guò)去一直以離網(wǎng)發(fā)電為主開(kāi)始進(jìn)行并網(wǎng)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這一跨越式發(fā)展，主要由于1980-1981年開(kāi)發(fā)的55kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，隨著這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的誕生，風(fēng)力發(fā)電每度電的成本下降了約 50%。

進(jìn)入80年代以后，風(fēng)電進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代化發(fā)展階段，風(fēng)電技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。到2020年，風(fēng)電在多個(gè)地區(qū)已經(jīng)成為發(fā)電成本最低的電源，為風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；風(fēng)電已經(jīng)成為多個(gè)國(guó)家電力系統(tǒng)中重要的電源，在丹麥等多個(gè)歐洲國(guó)家的發(fā)電量占比超過(guò)10%。

二、風(fēng)電機(jī)組大型對(duì)核心技術(shù)要求進(jìn)一步升級(jí)

開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電首先需要理解和認(rèn)識(shí)風(fēng)能資源的特征。風(fēng)能實(shí)際上是另外一種形式的太陽(yáng)能資源，主要源于太陽(yáng)對(duì)于地球上大氣接收到的太陽(yáng)能輻射不同，地球表面不規(guī)則的形狀，以及地球的自轉(zhuǎn)。風(fēng)能資源評(píng)估是風(fēng)電開(kāi)發(fā)、選址和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)。風(fēng)在我國(guó)各地的風(fēng)速的變化特征顯著不同吊車公司，比如經(jīng)過(guò)水面、植被或地形。目前隨著風(fēng)力發(fā)電發(fā)展逐步從主要依靠陸地集中式風(fēng)電，向海上風(fēng)電、分散式發(fā)電協(xié)同推進(jìn)的發(fā)展模式。提高分散式風(fēng)電開(kāi)發(fā)和海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)面臨的風(fēng)能資源評(píng)估

推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電成本降低主要從三個(gè)方面著手，分別是增加風(fēng)機(jī)發(fā)電額定功率、增加風(fēng)機(jī)輪轂高度和擴(kuò)大風(fēng)機(jī)葉片直徑。技術(shù)創(chuàng)新的方向主要圍繞這三個(gè)方面展開(kāi)。

（1）單機(jī)功率

主要由于風(fēng)機(jī)單機(jī)容量增加可以降低風(fēng)電場(chǎng)安裝風(fēng)機(jī)的數(shù)量，給定功率下運(yùn)動(dòng)部件更少有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，降低機(jī)械、電子、控制、電纜和塔架等輔助系統(tǒng)的平均成本，有助于降低系統(tǒng)造價(jià)。

（2）輪轂高度

由于風(fēng)能的分布特征在垂直方向受到地面的植被等影響相當(dāng)顯著，特別是高度受到的擾動(dòng)更為復(fù)雜，增加輪轂的高度可以利用質(zhì)量更高的風(fēng)能，風(fēng)速更為穩(wěn)定也有利于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（3）葉片

隨著風(fēng)機(jī)功率的提升，風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度不斷增加，風(fēng)機(jī)未來(lái)葉片將需要滿足新的需求。如果直接將過(guò)去的葉片材料和葉片設(shè)計(jì)應(yīng)用到更長(zhǎng)的葉片肯定不能適應(yīng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。一方面剛度不夠小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，葉片可能與塔架發(fā)生撞擊，另一方面葉片的質(zhì)量過(guò)重，靈活性較差，難以適應(yīng)不斷變化變化的運(yùn)行風(fēng)速環(huán)境，以及葉片質(zhì)量過(guò)重導(dǎo)致成本顯著上升。未來(lái)隨著葉片創(chuàng)新需要滿足新的要求，需要足夠的剛度來(lái)避免撞擊塔架，需要靈活性來(lái)持續(xù)適應(yīng)不斷變化的風(fēng)力條件，需要耐用性來(lái)維持20年，還需要葉片表面能夠抵抗鹽霧等的侵蝕，同時(shí)去除水分和污垢。

三、下一階段風(fēng)電發(fā)展對(duì)關(guān)鍵零部件技術(shù)創(chuàng)新提出了更高要求

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，核心部件是軸承。軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)機(jī)組可靠性影響最大的部件，屬于我國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域的卡脖子技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在風(fēng)電零部件領(lǐng)域依賴國(guó)外進(jìn)口主要是軸承。隨著風(fēng)電行業(yè)平價(jià)時(shí)代的到來(lái)以及海上風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢(shì)進(jìn)一步加速。然而，適應(yīng)大型化發(fā)展對(duì)關(guān)鍵零部件提出了更高的要求。隨著全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)的平均單機(jī)功率逐步提高，大功率風(fēng)力電機(jī)的整體比重亦穩(wěn)步提高。風(fēng)電軸承的尺寸隨著風(fēng)力裝機(jī)容量的增加而增大， 其加工難度亦成倍增加。

（1）當(dāng)前的現(xiàn)狀

風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期矗立在荒野外，運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，對(duì)軸承的性能要求很高，同時(shí)要求軸承 20 年免維護(hù)。根據(jù)中國(guó)軸承協(xié)會(huì)在高端軸承技術(shù)路線圖中的介紹，目前風(fēng)電主軸軸承主要被斯凱孚、舍弗勒、鐵姆肯、羅泰艾德等國(guó)外公司壟斷。

我國(guó)占據(jù)的風(fēng)電軸承市場(chǎng)份額較小。從產(chǎn)品類型上來(lái)看，我國(guó)生產(chǎn)的軸承絕大多數(shù)是小型及中小型軸承，中大型以上的軸承產(chǎn)量占比較少，不足 13%。但中大型以上軸承單套價(jià)格較高。目前國(guó)內(nèi)已有部分軸承廠商能夠生產(chǎn)，但主要集中在 2MW 及以下風(fēng)電軸承，對(duì)于3MW及以上風(fēng)電軸承小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，由于技術(shù)難度高，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)還處于起步階段。國(guó)內(nèi)公司風(fēng)電軸承出貨主要集中在門檻稍低的偏航和變槳軸承。

（2）面臨的挑戰(zhàn)

從國(guó)際形勢(shì)來(lái)看，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”和“制造業(yè)回歸”戰(zhàn)略，力圖搶占高端市場(chǎng)并不斷擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而新興經(jīng)濟(jì)體依靠資源、勞動(dòng)力等比較優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展加工制造業(yè)，與我國(guó)形成同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，軸承行業(yè)自然面臨了前有阻擊后有追兵的雙重?cái)D壓。

從國(guó)內(nèi)環(huán)境來(lái)看，能源、資源、勞動(dòng)力等生產(chǎn)要素成本加速上升，生態(tài)環(huán)境約束趨緊，這些因素均對(duì)風(fēng)電設(shè)備相關(guān)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

從行業(yè)來(lái)看，我國(guó)軸承行業(yè)的研發(fā)能力較弱，高端軸承國(guó)產(chǎn)化未取得突破性緊張。軸承企業(yè)對(duì)于基礎(chǔ)研發(fā)的積累不足，行業(yè)內(nèi)重復(fù)建設(shè)、過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象依然嚴(yán)重。未來(lái)如何提高高端軸承等高端制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力是新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要挑戰(zhàn)，希冀中國(guó)制造2025可以在這方面給予更多的關(guān)注。

受制于我國(guó)基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)材料的研制以及基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)的不足，我國(guó)重大技術(shù)裝備和智能制造裝備的制造水平不高，高端、精密基礎(chǔ)件加工專用制造裝備的缺乏又反過(guò)來(lái)制約著基礎(chǔ)零部件及基礎(chǔ)材料的生產(chǎn)制造。

文丨孫李平

參考文獻(xiàn)

Veers, P., et al., Grand challenges in the science of wind energy. Science, 2019. 366(6464).

風(fēng)機(jī)軸承長(zhǎng)期依賴進(jìn)口