如何让我国从一个风电大国，
成为一个风电强国？
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李庆安
·
中国科学院工程热物理研究所研究员
格致论道第99期
|
2023年7月29日 北京
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。
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。
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。
▲全球已建成及规划中的浮式风电项目（截至2020年）
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。
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。
传统的设计软件在遇到湍流的时候，就不能保证精度，也就是说不能精准地捕捉流动分离的区间。我们利用了一些核心技术，比如
压力分布技术
（上图右上），可以精准地定位叶片表面哪一段哪一个区间发生了流动分离。这种解决方式是从空气动力学的角度考虑的。
我们还有另一个叫
可视化实验的技术手段
（上图右下）也可以解决这个问题。我们从流场的角度出发，可以用丝线
Tuft
实验捕捉到它的流动序列时间，之后跟压力分布相互验证，由此来精准定位流动分离区间。
我们小时候玩水时，把手指头伸到水缸里一划，后面就会出现漩涡。气动也是这样的，气流从叶片表面发生流动分离之后，也会产生一个漩涡，也就是再附着现象，这个也捕捉不到。所以，我们采用了一个叫
油膜法
的新技术（上图左上），这样就可以观察到分离泡的大小。
这是第一个气动的问题，我们用尖端技术解决掉了，这样我们就能够尽可能地捕捉到压力分布和流场特性之间的内在规律。
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。
在超大型叶片装机之后，我们发现这个风电机组运行的时候很不稳定，尤其是叶片容易扫塔和颤动，于是开始反推查找漏洞。这也是通过工程问题来反推背后科学原理的过程。
我们先排查这个问题来源于哪个阶段，是设计阶段、制造阶段还是工艺阶段。排查的结果告诉我们整个链条都没有问题。后来我们发现这是出现了新的科学问题，就是气弹颤振。于是我们团队基于一些国外的经验开发出了
气弹颤振抑制技术
。
解决了气动、气弹之后，我们还研究出了非常尖端的
外场测试技术
。中国科学院工程热物理研究所是国内唯一一个有外场测试基地的研究所。
我们有很多的机理、机制只能通过外场测试验证，而有了外场测试验证，仿真模型精度也得以提高，形成一个完整的闭环。
基于以上技术，我们开发了具有自主知识产权的
中国科学院系列风电叶片设计平台和优化平台
。
在整个叶片设计的流程中，从二维翼型开发到仿真、风洞实验，再到三维叶片设计，再到整个风电机组，最后到整个风电场。我们重点关注的是风洞实验和外场测试，而不是基于理论和仿真，因此我们设计的叶片性能更好。
我们中国科学院开发的叶片系列，也叫翼型族，其中包括了中国第一款兆瓦级的叶片。后来我们又与一些企业进行合作，比如跟中国海装合作了一台5兆瓦的海上风电机组，位于如东风电场。这台风电机组的运行时长已经打破了世界纪录，年发电小时数超过了
3800
小时。
我们还跟双瑞公司共同参与了国内第一款百米级的叶片的研制，这款叶片总长度102米。在这款叶片的研制过程中，我们主要承担研发的就是抗台风技术。
在2022年，非常荣幸由我们中国科学院牵头制定了一个国家重点研发计划。计划的内容是到
2025
年，我们需要到研制出全球最长的一款叶片，长度达到
150
米，对标匹配的风电机组要做到容量
20
兆瓦及以上。
已完成：70%
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//
海上风电的另一个核心问题来自于
漂浮式风电装备
。海平面以上有风电机组，海平面以下有漂浮式浮体，海床上面有系泊系统，这
3
个关键零部件之间如何相互影响，也是需要我们攻克的核心问题。
漂浮式风电是一个强非线性的多物理场耦合系统
。它涉及很多不同学科，有空气动力学、结构力学、水动力学，还有自动控制，是一个多学科交叉的复杂系统。
目前漂浮式风电机组的样机研制数据特别少，能够提供给仿真环节的数据也非常少，因此缩比样机研制、气动装置研制和水动力装置研制，对我们来说是都是非常大的挑战，而且模型的惯性和黏着性是无法同时满足的。
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在最初开始做漂浮式风电机组样机研制的时候，我们的第一个想法是，能不能把传统陆上风电机组直接放在漂浮式这个浮体平台上？后来经过研究发现，不好用。
什么原因呢？
设计理念不一致
。对漂浮式风电机组来说，海平面以上的风电机组的设计理念是要尽可能利用风载，也就是要设计偏航或者变桨让它能够动态调整，尽可能捕获更多风能以提高发电量。而海平面以下的海洋工程装置的设计理念是要降低风载，降低风载的目的就是尽可能让这个浮体平台保持平稳。
这是从设计理念这个角度来讲，我们还可以从
验证的角度
来看。
研究空气动力学相关性能的主要是风洞实验。研制风洞实验缩比样机的时候，我们遵循的准则是雷诺数相似。但是在做水池实验时，我们捕捉的是水动力学性能，它遵循的准则是弗洛德相似。也就是说满足了水动力学要求就保证不了气动，保证了气动就又会损失了水动力学性能。所以说在这里存在一个失真的问题，是一个矛盾体。
我们团队为了解决这些问题，开发了自己的
在环测试系统
。我们将风电机组、水动力学和空气动力学综合放在一个平台里边，包括仿真平台和实验验证平台，由此来进行综合测试，突破了这个技术的瓶颈。
如何控制漂浮式海上风电机组也是我们面临的一个难题
。控制传统的陆上风电时，不需要考虑波浪和洋流对浮体冲击的影响。但是海上漂浮式风电机组会随着波浪和洋流来回晃动，所以传统的陆上风电机组的控制模式在海上不再高效了。于是我们向大自然学习，最终解决这个问题。
这是一只鸡，我们参考的就是“鸡头理论”。大家可以看到，这只鸡来回晃动的时候，它的头非常平稳。
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我们结合了直升机的旋转理论和这个原理，把它们应用到漂浮式风电机组上。
我当时在日本工作，把这个技术应用到了当时全球最大的7兆瓦浮式风电样机上，并进行了验证
。
已完成：90%
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回国之后，我非常荣幸地参与了国内一些项目的研制，还深度参与了国内第一台深远海浮式风电样机。
2021
年，国内研制了
首个具备抗台风性能的漂浮式风电三峡
“引领号”
，它的容量是
5.5
兆瓦，平均吃水线达到了
29
米。
接下来是国内
首台深远海漂浮式风电海装
“扶摇号”
，是中国海装的。它的吃水线达到
60
米，具备深远海的特性。在样机研制过程中，我们重点研究气动、水动一个多体多场耦合的问题，解决了缩比样机载荷失真的问题。
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总体来说，世界范围内漂浮式风电机组的研发仍处于技术探索的阶段，到目前为止没有任何国家实现了商业化。
中国在未来能不能实现弯道超车
，就需要我们探索出一个新型风力发电形式。
▲左：多风轮风电
中：垂直轴风电
右：风能波浪能互补发电
比如左图中的多叶轮风电机组。多叶轮风电机组是指几台风电机组共用一个平台。中图是漂浮式垂直轴风电机组，它与传统水平轴之前最本质的一个区别是它在运作时没有风向要求，可以
360
度随便吹。而大型的水平轴对风向是有严格的要求的，大家可以观察到它的机舱上有一个风速风向测量仪作为对风装置，对着风吹时发电量会比较高。右图是风能、太阳能、波浪、储能结合到一起的新型发电装置。不过这个装置还是处于概念阶段或者说样机研制阶段。
在我国的政策支持下，海上风电得到了快速发展，在技术上已经进入了一个无人区。非常期待大家能和我一起探索海上风电新领域。
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