2024年6月26日，我国自主研制的“18MW半直驱海上风电机组”在广东省汕头市风电临海试验基地顺利并网发电，再次刷新已并网风电机组单机容量最大的世界纪录。这台机组的部件级国产化率达到了100%，平均每年发电量可达7200万kW时，可满足约4万户家庭一年的用电量。
几天后的6月30日，我国自主研制的“18MW中速集成海上风电机组”，经过一年多的全面测试验证，在辽宁营口华能仙人岛热电厂成功完成吊装，标志着创造了“两个全球第一”纪录（风轮直径260米、单机功率18MW）的风电机组即将投入商业化应用。
海上风电技术研究是我国实现能源安全、建设海洋强国等国家战略需求的重要手段。十余年前，中国海上风电产业刚刚起步。到如今，中国风电已经引领全球风电机组大型化趋势，自主品牌产品推陈出新，率先踏入了风电技术和产业发展的“无人区”。
风力发电机
“大”势所趋
对于高层建筑、桥梁以及电视等工业产品，随着技术的发展，它们的尺寸也逐渐增大，风力发电机也是如此。1981年，当时全球最大风力机的功率仅为55kW，在1995年，这一数字才缓慢上升到500kW，1999年达到2MW。然而，此后风电机组的额定发电功率却一路攀升：5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前来看，这种大型化发展趋势并无丝毫放缓迹象。
大型风力发电机的功率是如何不断增长的？答案是：不断变长的叶片。更大的叶片在旋转时会从更大面积的风中提取能量，从而产生更多的电力，发电机的发电功率与叶片旋转扫过的圆盘面积直接相关。
18 MW半直驱海上风电机组下线。图片来源：福州晚报
那么，为什么风力机的尺寸会以如此快的速度增加？2019年11月印刷版 《自然》（Nature）上刊登了一篇论文《风力发电机：有多大？》(Wind Turbines: How Big？)，探讨了该问题。英国杜哈梅大学工程系教授西蒙·霍格（Simon Hogg）解释说，最核心的原因只有一个，就是降低能源成本。
随着风力机尺寸的增大，其设计、制造、运输、安装及维护等成本也会增加，发电量也会显著提升。根据目前统计到的大量机组数据可知，机组尺寸越大，单位平均度电成本（每度电发电收益与总成本的比值）越低。正因这条规律，风力发电机才会不断变大。
“平衡”发展
突破技术瓶颈
更长的叶片会产生更大的发电量，但我们必须考虑严格的物理定律。由于重力等因素，地球上任何物体均有一个极限尺寸。风电机组也不例外，叶片的尺寸不可能无限增加。
首先，重量是第一要考虑要素。叶片的重量会随着叶片长度的立方而增加，同时，为了保证结构的可靠性和安全性，各个部件需要使用更多的材料进行加固，而这又会增加额外的重量，给大型机组的设计带来更大的挑战。丹麦维斯塔斯公司10MW机组的每一个叶片都重达35吨，机舱达到近400吨；美国通用电气公司即将推出的机组将安装55吨的叶片、600吨的机舱和2550吨的塔架。
其次，需要考虑材料性能的极限。理论上讲，只有风电叶片组成材料具有充分的结构承载性能，支撑它不断变大。目前，风电叶片主梁广泛采用碳纤维材料体系（可以说这是最强的材料体系），未来叶片的材料，几乎没有比它更优异的选择了。我们根据碳纤维的极限大致推测，最大的叶片将很快就会超过150米，有些人预测叶片的极限长度是275米。
再次，需要考虑损耗情况。基于当前设计（默认空气不可压缩），叶尖的线速度必须限制在每秒90米以内，所以，叶轮更大转速更慢。但即便如此，叶尖的高速运动也会使叶片与雨滴、海浪碰撞，具有严重的侵蚀风险。3年之内，海上风电叶片的前缘形状就会受到损伤，发电效率会显著下降。
最后，不能忽视运输问题。每一个近似“大本钟”大小的叶片都必须进行一体运输，这需要巨大的港口、巨型船只和起重机。由于陆地道路宽度、涵洞等条件限制，陆上叶片运输已进入“瓶颈”，目前超大型风电叶片均安装在海上。
“大型化”未来
引领“极限”尺寸
风电机组不断增大的过程，各种问题也愈加凸显。目前工程师仅仅是将叶片延长，塔架升高，对核心部件进行加固处理。在设计思路上也并未发生变化，比如尺寸相差10倍的大机组和小机组，在本质上并没有差异。
叶片作为风电机组的核心部件，始终是机组大型化发展过程中无法绕开的部分。主流的风力机采用三叶片方式，但其实两支叶片也可以吸收大致相等的风能，产生相近的电量。显然，如果风力机采用两叶片方案，其整体重量会大幅减轻，叶片长度也会相应增加，但两叶片方案会产生严重的不平衡载荷，不利于机组的长期稳定运行，这就是它很少出现在市场上的原因。
针对叶片运输问题，最直接有效的解决方案就是将叶片分成两段或多段。相对于单体叶片，为了保证分段连接区域的可靠性和安全性，分段叶片的重量往往更大，载荷水平更高，对机组的大型化发展并不友好，设计难度更大。尽管如此，目前多家风电企业正积极投入到分段叶片的研发工作中，将于近些年陆续问世。
结语
十年前，风力发电还属于新兴产业，当时的主流观点认为它的商业化运行并不可行。如今，风电产业发展正以前所未有的速度占据能源电力市场，尽管风力发电机的尺寸在不断增加，但可以预见的是，它的极限尺寸将在未来5年-10年内接近或达到极限。很快，我们即将见证新的历史。
参考文献
