讓我國風(fēng)電技術(shù)從引進(jìn)到引領(lǐng)

風(fēng)電市場一直暗流涌動。

最新消息是，科技巨頭谷歌公司的產(chǎn)品研究部門GoogleX負(fù)責(zé)人對外表示，他們研發(fā)的“發(fā)電風(fēng)箏”有望在4月正式飛天。事實(shí)上，谷歌在2013年時(shí)收購了一家風(fēng)力發(fā)電創(chuàng)業(yè)公司，宣布涉足風(fēng)電。近10年，世界風(fēng)電裝機(jī)年均增長31.8%，成為全球最具吸引力的新能源技術(shù)。

任何行業(yè)的競爭都已經(jīng)是全球性的。在國際科技巨頭搶灘風(fēng)電市場的同時(shí)，國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)近幾年也在苦練內(nèi)功。其中，成立于2007年的國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司已經(jīng)成為全球第六大風(fēng)電設(shè)備制造及整體解決方案提供商。“聯(lián)合動力的發(fā)展與風(fēng)電設(shè)備及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的技術(shù)支撐密不可分。”聯(lián)合動力總經(jīng)理、實(shí)驗(yàn)室主任褚景春告訴科技日報(bào)記者。

風(fēng)電設(shè)備及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2010年5月由科技部批準(zhǔn)建設(shè)。該實(shí)驗(yàn)室以風(fēng)電設(shè)備及控制技術(shù)研發(fā)為中心，以研究解決我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重大共性、關(guān)鍵技術(shù)難題為主攻方向，以提高風(fēng)電產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力及核心技術(shù)競爭力為責(zé)任，為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)從“技術(shù)引進(jìn)”到“技術(shù)引領(lǐng)”的跨越奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

瞄準(zhǔn)行業(yè)共性問題攻克風(fēng)電核心技術(shù)難題

我國的風(fēng)力發(fā)電始于20世紀(jì)50年代后期，初期主要是為了解決海島和偏遠(yuǎn)農(nóng)村牧區(qū)的用電問題，重點(diǎn)在于離網(wǎng)小型風(fēng)電機(jī)組的建設(shè)。上世紀(jì)70年代末，我國開始進(jìn)行并網(wǎng)風(fēng)電的示范研究，并引進(jìn)國外風(fēng)電機(jī)組建設(shè)示范風(fēng)電場，1986年，我國第一座風(fēng)電場——馬蘭風(fēng)力發(fā)電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，成為了我國風(fēng)電史上的里程碑。

“大概在2002年左右，我國開始大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電，但當(dāng)時(shí)的功率比較小，大部分是定速、定槳的設(shè)備，設(shè)備以進(jìn)口為主，更重要的是，國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)并不掌握核心技術(shù)。”聯(lián)合動力副總經(jīng)理、實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任馮健告訴科技日報(bào)記者。

進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴、核心技術(shù)缺失制約企業(yè)發(fā)展及后續(xù)服務(wù)……這些因素使得國電聯(lián)合動力成立之初就瞄準(zhǔn)風(fēng)電設(shè)備核心技術(shù)的消化吸收進(jìn)而自主研發(fā)。這也是此后依托聯(lián)合動力成立風(fēng)電設(shè)備及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的初衷。

“風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械制造、電力電子、電力系統(tǒng)、自動控制、材料等多個(gè)專業(yè)學(xué)科，依托聯(lián)合動力，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在風(fēng)電機(jī)組整體設(shè)計(jì)、風(fēng)輪葉片氣動性能和新材料應(yīng)用研究、風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及并網(wǎng)技術(shù)、機(jī)組降載優(yōu)化等方面做了大量基礎(chǔ)研究，使我國風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)由過去主要靠引進(jìn)發(fā)展到引領(lǐng)，并掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)。”褚景春說。

基礎(chǔ)研究支撐風(fēng)機(jī)設(shè)備全產(chǎn)業(yè)鏈

“風(fēng)電機(jī)組控制的一大挑戰(zhàn)在于風(fēng)作為一次能源的存在形式具有不穩(wěn)定特性，風(fēng)向、風(fēng)速都處于多變狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮對這種不穩(wěn)定性的適應(yīng)能力，比如在山地風(fēng)場就會經(jīng)常出現(xiàn)因風(fēng)速和風(fēng)向的急劇變化導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組超速故障或頻繁對風(fēng)偏航，既影響機(jī)組安全運(yùn)行又影響發(fā)電量。另一方面，風(fēng)電機(jī)組作為一個(gè)巨大的旋轉(zhuǎn)設(shè)備受到動態(tài)載荷的影響非常復(fù)雜，為了克服沖擊和疲勞載荷，風(fēng)電機(jī)組本體各部件、塔筒和基礎(chǔ)要有足夠的強(qiáng)度，如何實(shí)現(xiàn)載荷的精準(zhǔn)把握，在成本和安全之間尋求最佳平衡點(diǎn)，也是一個(gè)重要課題。”馮健說，在這方面，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用仿真和測試技術(shù)，不斷探索，最終尋求出解決方案。

以2兆瓦115機(jī)型為例，他們通過自主研發(fā)的降載技術(shù)，使得風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)塔筒的重量比初步設(shè)計(jì)減少了30噸。這意味著業(yè)主對每臺機(jī)組的投資成本降低約30萬元，以一個(gè)5萬千瓦的風(fēng)場為例，其建設(shè)成本則可減少800多萬元。

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加和低風(fēng)速市場的開拓，風(fēng)電機(jī)組的葉片越來越長、越重，相應(yīng)的是，運(yùn)輸及安裝都面臨更高難度。因而，一方面要研究高效翼型，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率;同時(shí)在葉片結(jié)構(gòu)和材料方面要有突破，比如分段葉片的設(shè)計(jì)、碳纖維材料的應(yīng)用等就成為一個(gè)重點(diǎn)。在這方面，該實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中科院相關(guān)科研單位，共同承擔(dān)了科技部863項(xiàng)目，開展了高效翼型的研究，通過建立高雷諾數(shù)風(fēng)力機(jī)專用翼型氣動數(shù)據(jù)庫，并對原有氣動力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，完成大尺度葉片氣動外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高葉片的強(qiáng)度與剛度，降低葉片的重量，并且提出了葉片分段分離面的連接創(chuàng)新方案，所設(shè)計(jì)的葉輪最大氣動功率系數(shù)達(dá)到0.506，整機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到0.48以上，均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。首次在國內(nèi)第一臺自主研發(fā)的6MW機(jī)型上使用碳纖維來制造超大型葉片，此前的葉片材料主要是玻璃纖維。

實(shí)驗(yàn)室還針對高海拔、寒冷地區(qū)等特殊氣候條件的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)行了專門研究。“我們研發(fā)的葉片防冰凍技術(shù)已經(jīng)在貴州、山東等地應(yīng)用，一個(gè)冬天的測試證明效果很好。”馮健說。

尤其值得一提的是，該實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了科技部863項(xiàng)目——“超大型超導(dǎo)式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)研究”，是國內(nèi)首次涉及10MW級以上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，屬于科技部“十二五”期間重點(diǎn)科技項(xiàng)目?？紤]目標(biāo)機(jī)組12MW超大容量的特點(diǎn)，項(xiàng)目采用了超導(dǎo)式直驅(qū)發(fā)電機(jī)的技術(shù)路線，發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)效率達(dá)到96%，重量比同容量永磁同步發(fā)電機(jī)減重30%以上。同時(shí)，考慮該機(jī)組兼具“超大容量”及“海上風(fēng)電”的特點(diǎn)，課題還完成了海上風(fēng)電機(jī)組高可靠性設(shè)計(jì)，目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)年度計(jì)劃維護(hù)一次，最大程度減少機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)。在主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了基于支持向量機(jī)技術(shù)的陣風(fēng)判斷和先進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)等一系列創(chuàng)新性的新技術(shù)。這些成果將顯著提升我國風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)水平，使我國風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力和國際競爭力躍上一個(gè)新臺階。

打造數(shù)字化風(fēng)電場助設(shè)備制造商轉(zhuǎn)型

在風(fēng)機(jī)產(chǎn)能總體過剩，行業(yè)洗牌接近尾聲的情況下，風(fēng)電服務(wù)市場已經(jīng)成為各方逐鹿風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的“第二戰(zhàn)場”。而決定輸贏的關(guān)鍵也從能否提供更便宜的價(jià)格變?yōu)槟芊駬碛行阅?、質(zhì)量和服務(wù)的綜合實(shí)力。

在國電聯(lián)合動力北京本部的運(yùn)行技術(shù)中心，偌大的“云平臺”顯示屏上，分布在世界各地的國電聯(lián)合動力機(jī)組運(yùn)行情況一覽無余。技術(shù)人員介紹說，一旦有設(shè)備出現(xiàn)問題，通過“專家在線會診—現(xiàn)場服務(wù)人員介入”模式，國電聯(lián)合動力后臺技術(shù)專家與現(xiàn)場服務(wù)人員實(shí)現(xiàn)無縫對接，提升了現(xiàn)場問題分析判斷和處理的快速響應(yīng)能力。

“以前風(fēng)場出故障了，工作人員需要去現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)問題，而在數(shù)字化風(fēng)電場，我們遠(yuǎn)程就能看到。隨著實(shí)時(shí)狀態(tài)診斷模塊的不斷開發(fā)完善，我們可以對風(fēng)電機(jī)組各部件的亞健康狀態(tài)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)小的時(shí)候集中處理，最大程度上減少發(fā)電損失。”馮健說。

有數(shù)據(jù)顯示，目前全國每年需要風(fēng)機(jī)1800萬千瓦，產(chǎn)能過剩約在40%左右，在這種情況下，未來風(fēng)電整機(jī)制造業(yè)在競爭中利潤不斷降低，風(fēng)電制造企業(yè)一方面要靠科技創(chuàng)新突破來根本上提高利潤空間，而服務(wù)市場的拓展將成為企業(yè)持續(xù)盈利的關(guān)鍵。

“你看我們實(shí)驗(yàn)室名字里有一個(gè)關(guān)鍵詞是‘控制’，這也是今后我們研究的重點(diǎn)方向之一，怎樣讓風(fēng)力發(fā)電更智能、讓風(fēng)電場整體實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)行的管控模式。”馮健表示。

■一線對話

離產(chǎn)業(yè)近一些，再近一些

記者：依托企業(yè)建設(shè)的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的共性是與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，請問您在這方面有哪些體會?

褚景春：我在高校工作過，對這方面感觸很深?，F(xiàn)在的高校和科研院所也越來越注重與產(chǎn)業(yè)需求的結(jié)合，但不可否認(rèn)，企業(yè)畢竟在一線，我們實(shí)驗(yàn)室的課題全部來自于行業(yè)和企業(yè)在發(fā)展中遇到的難題。國電集團(tuán)是全球最大的風(fēng)電開發(fā)和運(yùn)營商，聯(lián)合動力作為旗下的風(fēng)電制造企業(yè)，能夠及時(shí)深入了解和提煉風(fēng)電產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的需求，能迅速嘗試技術(shù)研發(fā)中的一些新創(chuàng)意。而這些新創(chuàng)意的實(shí)際效果怎么樣，會遇到什么問題，也會很快反饋到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。

我認(rèn)為設(shè)立在企業(yè)中的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室確實(shí)為行業(yè)、企業(yè)的核心技術(shù)研發(fā)提供了重要的平臺和支撐。

記者：作為主任，您堅(jiān)持什么樣的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理念?

褚景春：我們的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，緊密關(guān)注基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果，深入開展應(yīng)用技術(shù)研究。在建設(shè)過程中堅(jiān)持三個(gè)理念：

一是堅(jiān)持核心技術(shù)自主創(chuàng)新理念。加強(qiáng)創(chuàng)新文化建設(shè)，激勵(lì)研發(fā)人員的創(chuàng)新創(chuàng)造意識，并從科研經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)條件、對外交流、團(tuán)隊(duì)建設(shè)等方面給予充分支持;

二是堅(jiān)持“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同創(chuàng)新理念。加強(qiáng)與國內(nèi)外科研單位、高等學(xué)校、產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)合作，共同開展基礎(chǔ)理論研究，解決技術(shù)難題;

三是堅(jiān)持以技術(shù)為支撐的平臺發(fā)展理念。把重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心、服務(wù)中心、信息中心和人才培育中心。

記者：請您介紹一下實(shí)驗(yàn)室未來一段時(shí)間的規(guī)劃。

褚景春：李克強(qiáng)總理在調(diào)研聯(lián)合動力時(shí)說：“聯(lián)合動力，代表著清潔動力和其他動力的混合，提供的是綠色和可再生能源，這是未來發(fā)展方向。要聯(lián)合國內(nèi)和國際，形成綠色發(fā)展的聯(lián)合動力。”按照總理的指示，我們的實(shí)驗(yàn)室將緊密圍繞風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，打造出一流的團(tuán)隊(duì)、研究出一流的成果、開發(fā)出一流的產(chǎn)品。

在團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，我們立足于“用好現(xiàn)有人才、引進(jìn)急需人才、培育未來人才”的思路，采用“請進(jìn)來、走出去”的形式，對現(xiàn)有研發(fā)人員實(shí)現(xiàn)綜合培養(yǎng)，增強(qiáng)現(xiàn)有人才的理論水平和專業(yè)素養(yǎng)，為研發(fā)人員提供自我發(fā)展和科技創(chuàng)新的機(jī)遇與條件。

在技術(shù)研發(fā)方面，針對低風(fēng)速、高海拔、防冰凍等特定自然環(huán)境展開關(guān)鍵技術(shù)問題攻關(guān)，針對分布式能源發(fā)展需求展開分散式并網(wǎng)技術(shù)研究，針對于度電成本最優(yōu)尋求技術(shù)創(chuàng)新突破，基于能源互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0理念開展先進(jìn)制造服務(wù)的技術(shù)研究。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，緊密跟蹤市場需求和技術(shù)進(jìn)步，加快開展大兆瓦風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)及制造進(jìn)度，打造高可靠性的陸上、海上風(fēng)電機(jī)組，開發(fā)全新的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場數(shù)字化運(yùn)營。

記者：您對企業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有什么建議?

褚景春：我們希望國家在科技項(xiàng)目立項(xiàng)和高端人才引進(jìn)方面給予企業(yè)承建的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大力支持。