电设备及控制国家重点实验室 让我国风电技术从引进到引领
风电市场一直暗流涌动。
最新消息是，科技巨头谷歌公司的产品研究部门GoogleX负责人对外表示，他们研发的“发电风筝”有望在4月正式飞天。事实上，谷歌在2013年时收购了一家风力发电创业公司，宣布涉足风电。近10年，世界风电装机年均增长31.8%，成为全球最具吸引力的新能源技术。
任何行业的竞争都已经是全球性的。在国际科技巨头抢滩风电市场的同时，国内风电企业近几年也在苦练内功。其中，成立于2007年的国电联合动力技术有限公司已经成为全球第六大风电设备制造及整体解决方案提供商。“联合动力的发展与风电设备及控制国家重点实验室提供的技术支撑密不可分。”联合动力总经理、实验室主任褚景春告诉科技日报记者。
风电设备及控制国家重点实验室于2010年5月由科技部批准建设。该实验室以风电设备及控制技术研发为中心，以研究解决我国风电产业重大共性、关键技术难题为主攻方向，以提高风电产业自主创新能力及核心技术竞争力为责任，为我国风电产业实现从“技术引进”到“技术引领”的跨越奠定坚实基础。
瞄准行业共性问题 攻克风电核心技术难题
我国的风力发电始于20世纪50年代后期，初期主要是为了解决海岛和偏远农村牧区的用电问题，重点在于离网小型风电机组的建设。上世纪70年代末，我国开始进行并网风电的示范研究，并引进国外风电机组建设示范风电场，1986年，我国第一座风电场——马兰风力发电场在山东荣成并网发电，成为了我国风电史上的里程碑。
“大概在2002年左右，我国开始大规模发展风电，但当时的功率比较小，大部分是定速、定桨的设备，设备以进口为主，更重要的是，国内风电设备制造企业并不掌握核心技术。”联合动力副总经理、实验室常务副主任冯健告诉科技日报记者。
进口设备价格昂贵、核心技术缺失制约企业发展及后续服务……这些因素使得国电联合动力成立之初就瞄准风电设备核心技术的消化吸收进而自主研发。这也是此后依托联合动力成立风电设备及控制国家重点实验室的初衷。
“风电机组制造技术涉及力学、机械制造、电力电子、电力系统、自动控制、材料等多个专业学科，依托联合动力，重点实验室在风电机组整体设计、风轮叶片气动性能和新材料应用研究、风电机组控制系统及并网技术、机组降载优化等方面做了大量基础研究，使我国风电机组制造技术由过去主要靠引进发展到引领，并掌握了关键核心技术。” 褚景春说。
基础研究支撑风机设备全产业链
“风电机组控制的一大挑战在于风作为一次能源的存在形式具有不稳定特性，风向、风速都处于多变状态，风电机组控制系统设计时要考虑对这种不稳定性的适应能力，比如在山地风场就会经常出现因风速和风向的急剧变化导致风电机组超速故障或频繁对风偏航，既影响机组安全运行又影响发电量。另一方面，风电机组作为一个巨大的旋转设备受到动态载荷的影响非常复杂，为了克服冲击和疲劳载荷，风电机组本体各部件、塔筒和基础要有足够的强度，如何实现载荷的精准把握，在成本和安全之间寻求最佳平衡点，也是一个重要课题。”冯健说，在这方面，重点实验室应用仿真和测试技术，不断探索，最终寻求出解决方案。
以2兆瓦115机型为例，他们通过自主研发的降载技术，使得风机的支撑结构塔筒的重量比初步设计减少了30吨。这意味着业主对每台机组的投资成本降低约30万元，以一个5万千瓦的风场为例，其建设成本则可减少800多万元。
随着风电机组单机容量的不断增加和低风速市场的开拓，风电机组的叶片越来越长、越重，相应的是，运输及安装都面临更高难度。因而，一方面要研究高效翼型，提高风能转化为机械能的效率；同时在叶片结构和材料方面要有突破，比如分段叶片的设计、碳纤维材料的应用等就成为一个重点。在这方面，该实验室联合中科院相关科研单位，共同承担了科技部863项目，开展了高效翼型的研究，通过建立高雷诺数风力机专用翼型气动数据库，并对原有气动力数据进行修正，完成大尺度叶片气动外形设计与优化，提高叶片的强度与刚度，降低叶片的重量，并且提出了叶片分段分离面的连接创新方案，所设计的叶轮最大气动功率系数达到0.506，整机最大风能利用系数达到0.48以上，均达到国际领先水平。首次在国内第一台自主研发的6MW机型上使用碳纤维来制造超大型叶片，此前的叶片材料主要是玻璃纤维。
实验室还针对高海拔、寒冷地区等特殊气候条件的风电机组设计进行了专门研究。“我们研发的叶片防冰冻技术已经在贵州、山东等地应用，一个冬天的测试证明效果很好。”冯健说。
尤其值得一提的是，该实验室承担了科技部863项目——“超大型超导式海上风电机组设计技术研究”，是国内首次涉及10MW级以上风电机组设计的项目，属于科技部“十二五”期间重点科技项目。考虑目标机组12MW超大容量的特点，项目采用了超导式直驱发电机的技术路线，发电机的设计效率达到96%，重量比同容量永磁同步发电机减重30%以上。同时，考虑该机组兼具“超大容量”及“海上风电”的特点，课题还完成了海上风电机组高可靠性设计，目标为实现年度计划维护一次，最大程度减少机组的非计划停机。在主控系统设计中采用了基于支持向量机技术的阵风判断和先进监测系统设计等一系列创新性的新技术。这些成果将显著提升我国风电机组设计水平，使我国风电机组设计的创新能力和国际竞争力跃上一个新台阶。
打造数字化风电场助设备制造商转型
在风机产能总体过剩，行业洗牌接近尾声的情况下，风电服务市场已经成为各方逐鹿风电产业的“第二战场”。而决定输赢的关键也从能否提供更便宜的价格变为能否拥有性能、质量和服务的综合实力。
在国电联合动力北京本部的运行技术中心，偌大的“云平台”显示屏上，分布在世界各地的国电联合动力机组运行情况一览无余。技术人员介绍说，一旦有设备出现问题，通过“专家在线会诊—现场服务人员介入”模式，国电联合动力后台技术专家与现场服务人员实现无缝对接，提升了现场问题分析判断和处理的快速响应能力。
“以前风场出故障了，工作人员需要去现场才能发现问题，而在数字化风电场，我们远程就能看到。随着实时状态诊断模块的不断开发完善，我们可以对风电机组各部件的亚健康状态及时发现，在风小的时候集中处理，最大程度上减少发电损失。”冯健说。
有数据显示，目前全国每年需要风机1800万千瓦，产能过剩约在40%左右，在这种情况下，未来风电整机制造业在竞争中利润不断降低，风电制造企业一方面要靠科技创新突破来根本上提高利润空间，而服务市场的拓展将成为企业持续盈利的关键。
“你看我们实验室名字里有一个关键词是‘控制’，这也是今后我们研究的重点方向之一，怎样让风力发电更智能、让风电场整体实现数字化运行的管控模式。”冯健表示。