从陆地跃入海洋,全球最强海上风电机组就在这里(图)

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导语: 不久前,我国自主研制的16兆瓦海上风电机组在福建下线。这是目前全球范围内单机容量最大、叶轮直径最大、单位兆瓦重量最轻、总体技术水准最高的风电机组,标志着我国在海上风电系统总成和大容量机组的制造能力上实现了重要突破,达到国际领先水平。

一、为何要发展海上风电

我国已经向世界庄严宣布了实现“碳达峰”与“碳中和”目标的时间表,其核心在于减少化石能源的消耗。现代化的步伐不能因化石能源消耗的减少而停滞不前,国家的全面发展必然会消耗越来越多的能源。

在此前提下,如何寻找足量的清洁能源,为我国未来的发展提供新的动力,成为一个迫在眉睫的现实问题。



世界各国均在发力海上风电


我国对清洁能源的开发做了大量的工作和多样化的尝试,其中的一个方案就是对海上风电进行开发。相比陆上风电,海上风电有着以下若干明显的优势。

1.海面高度均匀

海上没有山丘和建筑物等的阻挡,风力会明显大于陆地,单位时间的风能输出比陆地大约50%,是巨大的能量增幅。此外,与陆地上变幻莫测的气候不同,海上几乎没有静风期,这意味着海上风力的发电时间更长且发电功率输出更稳定,对电网的调节比较有利。



全国风能资源分布图


2.海上风能资源丰富

我国拥有大约1.8万公里的海岸线,这给了海上风电的发展极大的空间。通常来讲,沿海海域一百米高度以上风速在每秒7.5-9米之间,仅在离岸二百公里的范围内,我国的风能资源开发潜力就有约22.5亿千瓦。作为对比,据世界银行的统计,全球海上风能的可开发潜力高达710亿千瓦,海上风能资源是目前全球电力需求的十倍以上。值得注意的是,这一数据会随着人类开发能力的提升而继续增加。

3.完全的清洁能源

风力发电过程不会产生污染,节能减排效果显著:每安装1GW(1000兆瓦,相当于六十多台上述机组)的海上风电,相当于每年减排350万吨二氧化碳。

4.成本低且麻烦少

相比于陆地风电,海上风电避免了征用土地资源的成本和麻烦,减小了项目的总投入。

5.机动性强

海上风电机组分为漂浮式和固定式,其中漂浮式具备一定的机动性,但由于重量和体积受限制的原因功率有限。



远海中所使用漂的浮式风电机组

海上风电在理论上具备很大的优势,但仍然需要先进的技术对其进行开发。在这个背景下,16兆瓦海上风电机组总成的下线可谓是正逢其时。

二、高科技超长叶片创世界纪录

对风电行业来说,“造得多不如造得大”,风电机组的发电功率基本上与扫风面积成正比,大功率、大尺寸风机是风电降本增效的主要手段。这一逻辑的基础是叶片尺寸的不断增加,如何在尺寸不断增加,且保持结构牢固的前提下,尽可能地减少叶片的自重(叶片自重越大,能量损耗越大),是风电行业永恒的努力方向。



不断增长的全球风电机组平均叶轮半径

以此次创下多个世界纪录的海上风电机组为例,其轮毂中心高度为146米,大约相当于五十层楼高;叶轮直径252米,这已经超越了六架国产C919大型客机首尾相接的总长度,其对应的扫风面积约五万平方米,这足足有七个标准足球场那么大;叶片本身长123米,大约相当于三百名成年人并肩站立。



叶片内部的碳纤维梁


创纪录长度的叶片自然也需要创纪录的强度和轻量化,这需要叶片材料配方上的创新。如果没有合适的材料,叶片的自重就容易让它本身产生形变。

而碳纤维的加入是解决问题的关键,碳纤维是一种碳-碳主链结构的高性能纤维材料。相比金属材料和玻璃纤维,它具备质量轻、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能,可以说完美契合了风电叶片的需求。碳纤维更大比例的应用是解决风电叶片材料问题的钥匙,在利用树脂等材料固形后,碳纤维的强度能够充分发挥,并有效减轻叶片质量,尤其在海上高盐高湿的环境下,叶片中的碳纤维材料也能够提升耐腐蚀性能,更加适用于恶劣的气候条件。



123米长风电叶片


碳纤维材料的更广泛应用,除了提升了风机的综合技术水准,也标志着我国在风机叶片材料上从过去的受制于人到现在的完全自主可控。

三、世界领先的输出电机技术


创纪录的尺寸带来的是高功率的输出,这台风电机组刷新了单机容量记录:在正常气象条件下,风机由风带动转动一周,能发电34.2千瓦时的电力,相当于三口之家一周的用电量;单台风电机组在额定工作状态下,可满足一个十万人的城镇的用电需求。



16兆瓦海上风电机组核心机


更直观地看,单台风机年均可输送6600万千瓦时的电能,相当于直接节约了2.2万吨标准煤的消耗,避免了5.4万吨二氧化碳的排放,节能减排效果显著。

对于整个风机总成而言,输出的核心莫过于16兆瓦风机。风电机组的技术并不难:利用风力带动叶片旋转,再透过增速机提升旋转速度,促使发电机发电。但系统总成对于发电机的可靠要求极高,其单次维修需要将整个发电机取下替换,在远海操作一次的费用甚至会超过电机本身的成本。大功率风机在过去长期被国外企业所把控,而这一次也实现了完全的国产化,预计能够可靠运行10-15年。

作为目前世界上单机容量最大的机组,它的意义不仅体现在单机发电功率的提升。它的国产化标志着国内相关产业链的进一步完善,相比于之前的进口,发电机组从产量和交付周期上更有利于大型海上风电场的集中建设,这能够有效促进海上风电施工效率提升与用电成本降低。同时,风电机组的使用、改进和盈利构成了正向循环,将对相关技术产业的升级进步产生极大推动作用,全方位提升海上风电的经济性。



海上风电机组作为大型海上风电场的基础单位,它的技术进步能够为我国能源绿色转型发展提供重要战略支撑。目前,全球的海上风能开发有很大的潜力,大国可以借此使能源多样化,小国亦可以实现能源独立。

结语:

未来,中国的海上风电方案将具备更为广阔的出口空间,同时也将为应对全球气候危机提供非常可观的中国贡献

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