2024年6月26日，中國自主研制的「18MW半直驅海上風電機組」在廣東省汕頭市風電臨海試驗基地順利並網發電，再次重新整理已並網風電機組單機容量最大的世界紀錄。這台機組的部件級國產化率達到了100%，平均每年發電量可達7200萬kW時，可滿足約4萬戶家庭一年的用電量。
2024年6月5日，18MW半直驅大功率海上風電機組在廣東省汕頭市風電臨海試驗基地成功完成吊裝。圖片來源：東方電氣集團
幾天後的6月30日，中國自主研制的「18MW中速整合海上風電機組」，經過一年多的全面測試驗證，在遼寧營口華能仙人島熱電廠成功完成吊裝，標誌著創造了「兩個全球第一」紀錄（風輪直徑260公尺、單機功率18MW）的風電機組即將投入商業化套用。
海上風電技術研究是中國實作能源安全、建設海洋強國等國家戰略需求的重要手段。 十余年前，中國海上風電產業剛剛起步。到如今，中國風電已經引領全球風電機組大型化趨勢，自主品牌產品推陳出新，率先踏入了風電技術和產業發展的「無人區」。
風力發電機
「大」勢所趨
對於高層建築、橋梁以及電視等工業產品，隨著技術的發展，它們的尺寸也逐漸增大，風力發電機也是如此。1981年，當時全球最大風力機的功率僅為55kW，在1995年，這一數位才緩慢上升到500kW，1999年達到2MW。然而，此後風電機組的額定發電功率卻一路攀升：5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前來看，這種大型化發展趨勢並無絲毫放緩跡象。
大型風力發電機的功率是如何不斷增長的？答案是：不斷變長的葉片。 更大的葉片在旋轉時會從更大面積的風中提取能量，從而產生更多的電力，發電機的發電功率與葉片旋轉掃過的圓盤面積直接相關。
18 MW半直驅海上風電機組下線。圖片來源：福州晚報
那麽， 為什麽風力機的尺寸會以如此快的速度增加？ 2019年11月印刷版 【自然】（Nature）上刊登了一篇論文【風力發電機：有多大？】(Wind Turbines: How Big？)，探討了該問題。英國杜哈梅大學工程系教授西蒙·霍格（Simon Hogg）解釋說， 最核心的原因只有一個，就是降低能源成本。
隨著風力機尺寸的增大，其設計、制造、運輸、安裝及維護等成本也會增加，發電量也會顯著提升。根據目前統計到的大量機組數據可知，機組尺寸越大，單位平均度電成本（每度電發電收益與總成本的比值）越低。正因這條規律，風力發電機才會不斷變大。
「平衡」發展
突破技術瓶頸
更長的葉片會產生更大的發電量，但我們必須考慮嚴格的物理定律。由於重力等因素，地球上任何物體均有一個極限尺寸。 風電機組也不例外，葉片的尺寸不可能無限增加。
首先，重量是第一要考慮要素。葉片的重量會隨著葉片長度的立方而增加，同時，為了保證結構的可靠性和安全性，各個部件需要使用更多的材料進行加固，而這又會增加額外的重量，給大型電腦組的設計帶來更大的挑戰。丹麥維斯塔斯公司10MW機組的每一個葉片都重達35噸，機艙達到近400噸；美國奇異公司即將推出的機組將安裝55噸的葉片、600噸的機艙和2550噸的塔架。
其次，需要考慮材料效能的極限。理論上講，只有風電葉片組成材料具有充分的結構承載效能，支撐它不斷變大。目前，風電葉片主梁廣泛采用碳纖維材料體系（可以說這是最強的材料體系），未來葉片的材料，幾乎沒有比它更優異的選擇了。我們根據碳纖維的極限大致推測，最大的葉片將很快就會超過150公尺，有些人預測葉片的極限長度是275公尺。
18MW中速全整合海上風電機組完成安裝。圖片來源：央視新聞
再次，需要考慮損耗情況。基於當前設計（預設空氣不可壓縮），葉尖的線速度必須限制在每秒90公尺以內，所以，葉輪更大轉速更慢。但即便如此，葉尖的高速運動也會使葉片與雨滴、海浪碰撞，具有嚴重的侵蝕風險。3年之內，海上風電葉片的前緣形狀就會受到損傷，發電效率會顯著下降。
最後，不能忽視運輸問題。每一個近似「大本鐘」大小的葉片都必須進行一體運輸，這需要巨大的港口、巨型船只和起重機。由於陸地道路寬度、涵洞等條件限制，陸上葉片運輸已進入「瓶頸」，目前超大型風電葉片均安裝在海上。
「大型化」未來
引領「極限」尺寸
風電機組不斷增大的過程，各種問題也愈加凸顯。目前工程師僅僅是將葉片延長，塔架升高，對核心部件進行加固處理。在設計思路上也並未發生變化，比如尺寸相差10倍的大機組和小機組，在本質上並沒有差異。
葉片作為風電機組的核心部件，始終是機組大型化發展過程中無法繞開的部份。 主流的風力機采用三葉片方式，但其實兩只葉片也可以吸收大致相等的風能，產生相近的電量。 顯然，如果風力機采用兩葉片方案，其整體重量會大幅減輕，葉片長度也會相應增加，但兩葉片方案會產生嚴重的不平衡載荷，不利於機組的長期穩定執行，這就是它很少出現在市場上的原因。
針對葉片運輸問題，最直接有效的解決方案就是將葉片分成兩段或多段。 相對於單體葉片，為了保證分段連線區域的可靠性和安全性，分段葉片的重量往往更大，載荷水平更高，對機組的大型化發展並不友好，設計難度更大。盡管如此，目前多家風電企業正積極投入到分段葉片的研發工作中，將於近些年陸續問世。
結語
十年前，風力發電還屬於新興產業，當時的主流觀點認為它的商業化執行並不可行。如今，風電產業發展正以前所未有的速度占據能源電力市場，盡管風力發電機的尺寸在不斷增加，但可以預見的是，它的極限尺寸將在未來5年-10年內接近或達到極限。很快，我們即將見證新的歷史。
參考文獻
[1] VACLAV SMIL：Wind Turbines Just Keep Getting Bigger, But Theres a Limit The biggest blades will soon top 100 meters, and some people are talking of 275 meters—but the laws of physics must be taken into account
[2] Simon Hogg：Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
[3] Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
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