787｜李庆安：进击海上风电｜中国科学院工程热物理所｜格致SELF

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李庆安：进击海上风电

这些核心关键技术的攻关，让我们从“风电大国”变为“风电强国”

如何让我们从一个“风电大国”成功转变为“风电强国”？科学家们进行了核心关键技术的攻关，不仅开发出动态湍流格栅装置，还解决了气弹颤振问题。50年后，风能或许将成为发电的“主力军”…

演讲者：李庆安 中国科学院工程热物理所研究员
演讲时间：2023年7月29日 减碳之役 | 格致论道第99期

如何让我国从一个风电大国，成为一个风电强国？

大家好，我是李庆安。今天非常荣幸有机会跟大家聊一聊我们团队和海上风电之间的故事。

海上风电将成为主力能源

我国现在的发电方式以煤炭燃烧为主，“双碳”目标的提出，意味着咱们国家会掀起一次能源改革的浪潮，我们学术界叫“能源革命”。我们需要在未来的30-40年里构建以新能源为主体的新型发电体系。

这是我国未来发电结构的预测图。目前风能只是辅助能源，到2050年就会成为发电能源的主力军。为什么这么说？这主要是由我国的风资源情况决定的。

这张版图展示了我国的风资源分布情况。我国的风资源主要集中在东北、西北、华北的“三北”地区与东南沿海地区，呈“人”字形分布。风电场也主要集中在这些高风速区。

未来的风电场的建设主要分两步走。第一步向内陆推进，第二步向海上进军。但是我国的用电负荷中心主要集中在东南沿海这些发达城市，因此未来的供电主力军就是海上风电。

我国的海上风电目前处于什么样的发展阶段呢？这张图显示的是2012-2022年中国海上风电发展趋势。从中可以看出，中国海上风电发展十分迅速，尤其是2020年提出“双碳”目标以后。

截止到2022年，中国的海上风力发电装机总量已经超过了英国，成为全球第一，约占全球海上风电装机总量的49%，将近一半。

海上风电有独特的需求

那么，海上风电和陆上风电又有什么本质区别？

首先，海上与陆上相比，风资源储量更为丰富，且平均风速比陆上的更高，湍流强度更低，这就意味着从海上可以捕获更多的风能。第二，我们考虑过把传统的陆上风电机组直接移植到海上，但后来发现这个传统的技术路线不太好用，因为海上风电有自身的特殊性。

海上风电机组在吊装、运输、安装以及后期运行和维护的过程中成本都非常高。为了降低度电成本，海上更适合安装超大型风电机组。目前的陆上风电机组容量基本上都是6兆瓦，最大的是8兆瓦。但是海上风电机组容量一般是5兆瓦起步。

这是2023年7月刚刚并网的金风科技的16兆瓦海上风电机组。它的叶轮直径长达252米，扫风面积达到5万平方米。在额定工况下，它每转一圈可以发电34.2度。如用它代替传统化石燃料发电一年，减少的二氧化碳排放量可以达到5.4万吨，减碳效果十分显著。

这台样机是海装H260-18兆瓦的风电机组。这台风电机组刚刚完成下线，预计在2023年晚些时候并网。它的叶轮直径可以达到260米，扫风面积5.3万平方米，在额定工况下每转一圈可发电44.8度电，一年减碳量可以到6.1万吨。

目前，全球最长的风电叶片已经做到了126米。这说明国内的大型风电机组正在领跑世界。

对更长叶片的追求也是由我国的风资源情况决定的，这是我国海上100米高度平均风速分布图，颜色越深代表平均风速越高。

我们可以看到，相较于深远海的风资源，我国的近海风资源储量处于劣势，储量大约为500吉瓦（GW），而深远海的风资源储量是近海的3倍以上。目前，我国已开发的近海风资源装机总量为31.4吉瓦，但是在深远海我国只有一台样机做到了并网发电，也就是三峡“引领”号。它的装机容量是5.5兆瓦。可以说，我国深远海的风资源基本上处于未开发状态。

这是全球海上漂浮式风电机组的发展情况。在2009年，挪威研制出了世界首台2.3兆瓦的风电机组，它是一台漂浮式风电机组。而我国在2021年才研制出首台5.5兆瓦风电机组。相较于国外，我们落后了十几年。

无论从装机总量来看还是从近海的超大型风电机组来看，我们是一个风电大国，但还不是一个风电技术强国。如何让中国变成一个风电强国？我们团队在以下几个方面攻破了一些核心技术。

设计符合中国风场的叶片

在海上风电机组中，叶片是捕捉海上风力最核心的部件。

在20世纪90年代，国内的风电场建设主要靠进口，包括叶片。整个产业链都是从欧洲引进的，引进之后再进行生产制造，然后在国内安装。现在，我们国内的产业已经开始走出国门，例如金风科技和明阳智能的一些机组已经远销海外。

但无论是上世纪90年代引进国外机组的时候，还是现在我国机组对外销售的时候，都面临着一个问题：机组会“水土不服”。这造成的第一个问题是发电量不足，第二个问题是特别容易坏。从这些工程问题中，我们就反推产生这种现象的原因，最终发现问题在于叶片设计上。

叶片设计的时候，包括咱们国家在内，过去都采用的是一个国外软件。国外的技术人员在研究这个软件进行资源分析的时候，采用的都是自己国家的风资源数据。而这些数据跟我国的风资源数据不匹配，所以才造成了进口的机组在中国“水土不服”、出口的机组在他国“水土不服”的局面。

风资源数据属于国家战略安全数据，不可能对其他国家开放，所以要研制中国的风电机组，我们必须采用中国的专用软件，必须跟中国的风资源匹配到一起。

设计风电叶片有几个流程：首先是叶片的仿真阶段，仿真完之后我们会利用风洞实验进行验证，接着做外场测试，然后再生产制造，最终成功挂机，这个型号才算被设计出来。

用风洞实验进行验证的过程中需要一个非常核心的技术，叫动态湍流格栅。正常做风洞实验时，风洞吹出来的风很稳定，风速和风向基本不会发生大的波动。但是，自然界的风并非稳态，风速和风向经常发生变化，风力具有随机性。因此，如何在风洞里模拟自然风况就是我们需要解决的问题，也制约着设计叶片的能力。

在2018年的时候，这样的动态湍流格栅装置在世界上只有3个国家能做。我回国之后，就在中国科学院工程热物理研究所开发出属于我们自己的装置。这台设备可以模拟陆上、海上、草原山地、丘陵等不同环境下的自然风况。

对于叶片设计来说，第一个难题是气动上的问题，就是“动态失速”问题。而且这个问题不可规避。图中上面的白色流线紧贴着叶片表面走的时候，发电效率很高，性能也非常好。但是，在风电机组的真实运行过程中，气流会从叶片表面脱离，我们就把这种现象就叫做动态失速。

对于叶片设计来说，第一个难题是气动上的问题，就是“动态失速”问题。而且这个问题不可规避。图中上面的白色流线紧贴着叶片表面走的时候，发电效率很高，性能也非常好。但是，在风电机组的真实运行过程中，气流会从叶片表面脱离，我们就把这种现象就叫做动态失速。

第二个问题是气弹颤振，长度在100米以下的叶片一般不会遇到。气弹颤振的现象是在风电机组的运行工况转速除以气弹颤振临界速度等于1.0的情况下产生的。因此一开始我们在100米以下叶片的时候发现不了这个问题。

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