2024年6月26日，中國自主研制的18兆瓦半直驅海上風電機組在廣東省汕頭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7200萬千瓦時，可滿足約4萬戶家庭一年的用電量。
2024年6月5日，18兆瓦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18兆瓦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，標誌著創造風輪直徑260米、單機功率18兆瓦「兩個全球第一」紀錄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的趨勢，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，隨著技術的進步，它們的尺寸也會逐漸增大，風力發電機也是如此。1981年，當時全球最大的風力機的功率僅為55千瓦（55kW）。在1995年，這一數碼才緩慢上升到500kW，1999年達到2兆瓦（2MW）。然而，此後風電機組的額定發電功率卻一路狂飆，5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前來看，這種大型化的趨勢絲毫沒有放緩的跡象。
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。
那麽，為什麽風力機的尺寸會以如此快的速度增加？2019年11月的印刷版Nature上刊登了一篇論文【Wind Turbines: How Big?】進行探討。英國杜哈梅大學（Durham University）工程系的Simon Hogg教授解釋說，簡而言之，最核心的原因只有一個，就是為了降低能源成本。
盡管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，但發電量也會顯著提升。目前統計到的大量的機組數據顯示，機組尺寸越大，單位平均度電成本（每度電的發電收益與總成本的比值）越低。正是因為這條規律，風力發電機才會不斷變大。
無法跳出極限邊界
更長的葉片會產生更大的發電量，但我們必須考慮到嚴格的物理定律。由於重力等因素的作用，地球上的任何物體均有一個極限尺寸。例如，不論是陸地上最大的動物大象、海中最大的動物藍鯨，還是最高的山峰、最高的建築物等等，世間萬物都有極限尺寸。因此，風電機組不能例外，葉片的尺寸不可能無限增加。
首先，重量是需要被考慮到的第一要素。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，而這又會產生額外的重量，從而給大型電腦組的設計帶來更大的挑戰。丹麥維斯塔斯公司的10MW機組的每一個葉片都重達35噸，機艙將達到近400噸。美國的GE（通用電氣公司）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，也需要考慮材料效能的極限。從理論上講，只有風電葉片組成材料具有充分的結構承載效能，才可以支撐它不斷變大。目前風電葉片的主梁已經廣泛采用碳纖維材料體系，可以說這是最強的材料體系，未來葉片幾乎沒有其他更優異的選擇了。根據碳纖維的極限進行大致推測，最大的葉片將很快就會超過150米，有些人預測說葉片的極限長度是275米。
再次，要考慮損耗情況。基於當前的設計，預設空氣是不可壓縮的，此時葉尖的線速度必須限制在每秒90米以內，所以，更大的葉輪轉速會更慢。但即使如此，葉尖的高速運動也會使葉片與雨滴和海浪碰撞，造成嚴重的侵蝕風險，3年之內，海上風電葉片的前緣形狀會發生損傷，發電效率會顯著下降。
最後還有運輸問題。每一個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。由於陸地上道路寬度、涵洞等限制，陸上的葉片運輸已進入瓶頸，因此，目前超大型的風電葉片均安裝在海上。
大型化的發展方向
風電機組不斷增大的過程中要面對的各種問題也愈加凸顯，但是目前工程師大多「以不變應萬變」，僅僅將葉片延長，塔架升高，對核心的部件進行加固處理。在設計思路上也並未發生變化，尺寸相差10倍的大機組和小機組在本質上並沒有差異。
作為風電機組的核心部件，葉片始終都是機組大型化發展過程中無法繞開的部份。主流的風力機采用的是三葉片方式，但其實兩支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，其整體的重量會大幅減輕，葉片長度也可以對應增加。只是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，而這也是它很少出現在市場上的原因。
針對上面提到的葉片運輸問題，最直接有效的解決方案就是將葉片分成兩段或多段。但是，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，對機組的大型化並不友好，並且設計難度更大。盡管如此，目前多家風電企業正在積極投入到分段葉片的研發工作中，近些年將會陸續問世。
結語
僅僅是10年前，風力發電還只是一個新興的事物，當時的主流觀點從來不認為它可以商業化執行，但如今風電正在以人類前所未知的速度占據能源電力市場，盡管風力發電機的尺寸也在不斷增加，但是可以預見的的是，它的極限尺寸將在未來的5-10年內到達或接近極限，我們也即將見證歷史。
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?
出品：科普中國
作者：城明辰（科普創作者）
監制：中國科普博覽
