我国风电产业与核心技术未来发展趋势分析

2019-03-18 12:07 [新能源论文] 来源于：互联网作者：王富贵　廖晓东

导读：摘要：风能作为最具竞争力的新能源，其开发技术是可再生能源技术领域的重要方向之一。近年来我国风电产业发展迅速，初步形成了完整的产业链，并发展为世界上最大的风电市场，被国家规划为战略性新兴产业。本文全面梳理国内外风电产业及核心技术发展情况及趋

　　摘要：风能作为最具竞争力的新能源，其开发技术是可再生能源技术领域的重要方向之一。近年来我国风电产业发展迅速，初步形成了完整的产业链，并发展为世界上最大的风电市场，被国家规划为战略性新兴产业。本文全面梳理国内外风电产业及核心技术发展情况及趋势，分析我国风电产业的瓶颈及将来发展方向，提出根据“基地+人才+项目”的建设思路，推动形成风电产业高效运营科研体系。

　　关键词：新能源；风电产业；核心技术；未来趋势；战略对策

　　中图分类号：F407.61 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）015-000-03

　　发展新能源不仅在能源安全和能源供应的多元化方面具有重要的战略意义，在经济增长、扶贫、大气污染防治和温室气体减排中也起着重要作用。风能作为最具竞争力的新能源，其开发技术是可再生能源技术领域的重要方向之一。从20世纪90年以来，世界风力发电产业发展迅速，全球新增装机、累计装机均以年平均高于20%的速度增长。全球风能理事会（GWEC）预计，至2030年，风能累计装机容量将达到2000GW，可满足全球17-19%的电力需求。至2050年，风电将满足全球25-30%的电力需求。近年来，我国风电产业发展迅猛，初步形成了较为完整的产业链条，已成为全球最大的风电市场。

　　一、全球风能产业与技术发展现状及趋势

　　（一）全球风能产业发展现状及趋势

　　1.全球风力发电增长迅速

　　21世纪初，欧洲和北美洲是全球风电发展最快的地区，近年来亚洲风电快速崛起，逐渐成为全球风电主要市场。当前，全球超过100个国家和地区已在开发、利用风电，尤其是在一些欧美发达国家的风力发电已经占到较高比例。业界普遍预计，在今后较长一段时期内，风力发电依然会是发展速度最快的新能源。今年，全球风能理事会发布了《全球风电统计数据2015》报告。据统计，2015年全球风电产业新增装机63013MW，同比增长22%。其中，中国风电新增装机容量达30500MW。到2015年年底，全球风电累计装机容量达到432419MW，累计同比增长17%，高居世界第一。截止2015年12月，全球累计装机容量前十名的国家分别为：中国、美国、德国、印度、西班牙、英国、加拿大、法国、意大利、巴西。全球累计新增装机容量前十名的国家分别为：中国、美国、德国、巴西、印度、加拿大、波兰、法国、英国、土耳其。

　　2.欧美依然是全球风电整机设备制造业的核心聚集区

　　欧洲的德国、丹麦、西班牙，亚洲的印度，北美洲的美国，依然是全球风电整机设备制造业的核心聚集区。欧美国家的风电装备制造企业主要有：Vestas（丹麦）、通用电气（美国）、Enercon（德国）、Gamesa（西班牙）、Suzlon（印度）、西门子（德国）、Repower（德国）等。美国GE WIND公司拥有全球风电设备市场份额的15%以上，德国ENERCON公司是目前德国最大的风机制造企业，丹麦RASIO实验室聚焦风电领域的发电能源系统、核心零部件以及海上风力发电技术的研发。SKF轴承、FAG轴承和TIMKEN轴承是世界风电轴承的主要生产商。国外风电齿轮箱制造企业主要有芬兰Moventas，全球风叶三大制造商是丹麦的LM公司、Vestas风力系统公司和德国的Enercon公司。丹麦艾尔姆公司更是全球风叶主要制造商，拥有全球风叶市场份额的1/3。

　　3.大力发展海上风电逐渐成为新趋势

　　发展陆地风电，需占用大量的陆地面积，也会影响附近居民生活环境，所以，海上风电就成为新的发展趋势，国内外风电企业已经开始加大研发投入力度，积极开展海上风电技术的研究和现场应用。2015年，全球海上风电产能快速发展，总产能增长至11GW，新增4GW。其中，欧洲进行了大规模的海上风场建设，促使海上风电装机量增长了近1倍；与此同时，美国也积极加大海上风电产业发展步伐，建设了第一个海上风电项目地基。2015年，全球新建海上风电项目投资总额增长至193亿欧元，项目融资屡创新高，投资项目总数是前一年度的两倍。预计2020年时，全球海上风电总装机量将增长至40.3GW，年复合增长率为32%。

　　（二）全球风能技术发展现状及趋势

　　1.风电机组单机容量持续增大

　　从发展态势看，全球风电产业风电机组的单机容量不断增大，单机容量和利用率大大提高，各类主流机型单机容量增长快速。由于当前传统能源的减少、社会经济不断增加的电力需求，全球各类龙头风电设备制造商，已进行了更大型风力发电机的研发。Repower公司已经开始批量生产5MW、6MW风机，华锐风电的5MW风机、西门子公司的3 6MW已经实现下线。美国的可再生能源实验室开始研发了10MW的风机，金风科技等中国风电企业更是积极研发风机大型化产品。EWEA2015欧洲风能年会上发布的新机型不少，除了Vestas和GE，Gamesa和Enercon也分别推出G132-3.3MW和E141-4.2MW机型。

　　2.单机容量为3-6MW的海上风电机组已商业化运行

　　海上风电产业不断发展的同时，全球3-6MW单机容量的风电机组已进入商业化运营阶段。2015年，西门子于欧洲海上风电展上公布了其新研发的7MW海上风电机组，SWT-7.0-154。该7MW机组其实是西门子上一个6MW机组的升级版，都用到直驱系统，预计发电效率要比之前一台高10%。全球风电机组龙头企业已经开始加大研发投入力度，积极筹备将来大规模的海上风电场建设，美国的超导公司已进行了10MW风力发电机的技术研发。

　　3.新气流技术兴起

　　在稳流风况下，最高效率的是风轮机，然而在不稳定风速情况下，其效率会显著减少。美国雪城大学研究人员对一种基于智能系统的主动气流控制方法进行了测验，从明尼苏达大学风能联盟取得了美国能源部的财政资助。该项目估算了风机叶片表面气流情况，凭借智能控制器进行信息处理后进行实时驱动叶片控制气流，可有效降低因流动分离而产生的多余噪声，大大促进了风机系统整体效率的提升。　　4.直驱式风电机组所占份额越来越大

　　目前从风轮到发电机的驱动方式主要有双馈式、直驱式和混合式三种。双馈式风电机组是目前风电机组的主导机型，这主要是由于其转子励磁电流幅值、相位、频率、有功功率、无功功率均可调，可实现变速恒频运行，以及并网特性优良的特点。从国际发展趋势看，直驱式风力机在风电市场上所占份额日益增大，这主要是由于其投资和维护成本低、可靠性好、，可大大降低传动链损失、停机的时间。

　　5.智能化控制技术成为未来发展趋势

　　控制技术是风力发电的最关键技术之一，主要包括风电功率预测系统和风电机组的控制系统。目前先进的控制技术主要有专家系统控制、微分几何控制、自适应控制、滑模变结构控制、最优控制、模型预测控制、人工神经网络控制、模糊控制等。随着技术的不断进步，以后的控制技术应该不断向智能化控制方向发展。

　　6.欧洲、日本和美国储能技术三足鼎立

　　目前，欧洲、日本和美国在储能技术水平处于国际领先地位，比较有发展前途有压缩空气储能、超级电容储能等。美国瑟斯汀X公司（SustainX）已经掌握压缩空气储能（compressed - air energy storage）技术。美国Nanotek Instruments最新研发了石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量与镍氢电池旗鼓相当，在短短几分钟甚至几秒钟内就可以完成充电、放电，发展前景比较乐观。

　　二、我国风能产业与技术发展现状及趋势

　　（一）我国风能产业发展现状及趋势

　　当前，风电装机总量最多的国家是中国。因为我国具备雄厚的风电资源开发潜力，因此，风电将来可以发展成主流能源的重要基础。“十二五”期间，我国风电产业成为新能源的领跑者，并形成极为突出的国际影响力和市场占有率。

　　1.风电总装机容量和新增装机容量均为世界第一

　　伴随《可再生能源法》及相关配套政策措施的制定，我国风电产业发展迅猛。 2015年，我国风电产业增长势头显著，新增装机容量再次达到历史最高水平，新增风电装机容量增长至30500MW，占全球新增总装机容量的48.4%；总装机容量打145104 MW，占全球总装机容量的33.6%。据国家能源局统计，2015年，我国风电发电量达到1863亿千瓦时，在总计的发电量中占到3.3%；新增风电核准容量4300万千瓦，累计核准容量2.16亿千瓦。也要注意到，与国际先进水平相比，我国并网容量与吊装容量发展差距较大，我国未并网容量高达30%以上，国外未并网容量不超10%。同时，我国风电产业存在产能过剩现象，一些企业盲目跟风进入风机整机制造领域。

　　2.海上风电发展快猛

　　上海东海大桥风电场，是我国目前首个海上风电项目，安装了34台国产3.0MW风电机组，2010年6月，已实现了并网发电；2010年9月，国家能源局组织开展了首轮海上风电特许权项目招标。2015年，福建莆田南日岛海上风电场一期40万千瓦项目，获得福建省发改委核准，该项目是国内已获批建设的最大海上风电场项目。2015年，我国海上风电新增达36万千瓦，累计装机总量从世界排名第五跃升至第四。

　　3.已形成一批全球知名的龙头骨干企业

　　彭博新能源财经2月19日发布的2015年全球风电整机制造商市场份额报告显示，2015年，以全球新增装机7.8GW，金风科技发展成为世界最大的风电整机制造企业，我国本土装机占其全球总装机容量的99%。丹麦维斯塔斯（Vestas）位列全球第二，2015年全球新增装机遍及全球32个国家，装机容量达到7.3GW。除金风科技外，中国另有三家风电整机制造商位列全球十大整机制造商，分别是排在全球第七位的国电联合动力，第八位的远景能源和明阳风电。此外，中船重工（重庆）海装以我国本土2GW的新增装机，首次跃居世界十大陆上（不含海上）风电整机制造企业。受益于2015年中国风电市场的迅猛增长，中国整机制造商全球排名进步显著，但风电整机海外出口业务并未实现突破，绝大部分装机仍来自于中国本土。

　　（二）我国风能技术发展现状及趋势

　　1.风电技术国产化项目实施已取得重要阶段性成果

　　风电机组的整机国产化作为风电行业发展的重要内容，在业内历来得到足够关注，金风科技、华锐风电、东方汽轮机等企业通过对新产品设计、关键零部件研发，已经生产出了有广阔市场前景的样机。各制造商进一步加大技术研发的投入和加快新机型的推出速度。同时，各厂家加大了对现有机型的技术改进和国产化工作。据中国可再生能源学会风能专业委员会统计，我国新增的风电机组中，1.5MW、2MW 的风电机组在市场上依然是主流，占到全国80%以上的新增装机容量。此外，我国在叶片、齿轮箱、发电机等重要零部件的研发和制造水平，已经非常接近国外先进企业，能很好满足国内的主流机型使用要求，且开始在一定范围内出口国外；此外，我国在轴承、变流器以及控制系统的研制上，也取得重大突破，开始不断供应国内企业。但也清醒认识到，风电设备制造技术与发达国家相比有较大差距，这种差距主要表现在风电设备零部件配套上，大规模风电设备制造处于发展初期，在核心零配件、产品性能等方面与国外先进企业差距显著。

　　2.整机设计技术目前国内还没有足够的实力

　　整机设计技术目前国内还没有足够的实力，针对某一类风资源的风机整机设计依然依赖于国外供应商。由于国内的风电场分布、风资源状况与国外大不相同，电网的技术标准也不一致，因此，控制系统需要根据国情做出调整，目前的调整都受制于国外的供应商。为此，国内研究机构对大型风力发电机组控制系统进行自主研发，目前还处于起步阶段，大多数整机厂（包括国内三大家的华锐、东汽与金风）、控制系统公司都还处于技术集成的阶段。

　　3.风电的控制和管理技术基础较为薄弱

　　由于风力发电装备是一项跨学科、跨领域、跨部门的系统工程，加上国内在相关领域基础不强，我国风电产业存在基础研究能力不强、产业化程度不高的突出障碍，无法满足风电产业快速发展需求。目前我国风电产业创新能力不足，具有核心技术的自主知识产权特别缺乏，大多数的风电企业技术人才短缺，没有建立专业研发机构，研发投入力度小，未能形成有效的科研创造与转移转化体系。另外，风电企业仍未形成产学研结合的创新体系，技术产品研发，尤其是风电机组的基础性和综合性研究投入仍显不足，风电机组的总体设计和关键零部件设计能力仍是风能产业发展的最大瓶颈。　　4.风电并网技术还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段

　　自20世纪70年代以来，我国加大大型并网风电机组研制力度，到1997年才真正由科研成果转为市场产出。目前，我国风力发电机组技术更多依靠从国外引进消化吸收，处于跟从阶段，国产设备基本依赖于“定桨定速”技术。原因主要有以下两方面：一方面，国内风电产业核心技术缺乏，虽然对风电机组的测试技术作过一些研究，但不太系统，风电设备的试验风场也缺乏。另一方面，技术创新能力不足，与国外发达国家的主流机型技术水平差距较大，目前投入大量资源攻关的风电机型在国外早就已经相对成熟。

　　三、对策建议

　　本文基于前文对国内外风电产业与核心技术发展现状及趋势的分析，提出根据“基地+人才+项目”的建设思路，要不断加强风电企业创新主体地位，引导高校、科研机构成为研发创新的主力，采取产、学、研相结合方式，科学规划，合理布局，优化资源，壮大产业高层次人才队伍建设，提高研发项目技术产出效益，建设产业公共服务平台、重要转化基地，开展知识产权保护、推广及应用，强化各类技术标准与专业认证，推动形成风电产业高效运营科研体系。

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　　作者简介：王富贵（1984-），男，山东淄博人，广东省技术经济研究发展中心助理研究员、经济师，研究方向：科技经济与管理、科技创新政策。