第618期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《海上大风车》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——海上大风车
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：柳亦兵，华北电力大学能源动力与机械工程学院教授。
严 帅，国家电投集团科学技术研究院高级工程师。
讲座时间：2024年12月2日～12月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——海上大风车
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。2020年的7月，全球第二大的海上风力发电机组，在我国的福建正式并网发电，它的大风车每转动八圈，就可以为一个普通家庭提供一个月的电力，未来海上风力发电会给我们带来什么呢？我们通过短片进入今天的节目。人类对风能的利用，已有数千年的历史，在距今3000多年前，就出现了利用风帆推动的船只。十二世纪前后欧洲出现了大型的塔式风车，到了十六世纪这种大型风车在荷兰被大量应用于低地的排水工程，彻底改变了荷兰的地貌，标志着人类已经初步掌握风能的使用方法。十九世纪末，科学家们已经开始了风力发电机的研制，但一直进展缓慢，没有成为主流的发电方式。直到上世纪七、八十年代，人类逐渐认识到环境保护对未来的意义，绿色无污染的风电开始受到重视并迅速发展起来。1991年，世界上第一个海上风电场在丹麦正式投运，通过这座电场，科学家们发现了海上风电的巨大潜力。2007年，我国第一座海上风电场投入运行，在进行了一系列技术探索后，近几年我国海上风电的规模以每年20%的速度快速增长。海上风电究竟具有哪些优势？它为何会成为目前发展的重点呢？
首先，我们介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是华北电力大学能源动力与机械工程学院的教授柳亦兵，另外一位是国家电投集团科学技术研究院有限公司的高级工程师严帅。我们风电的发展，跟我们传统的火电比较起来，它的优势首先两位给我们介绍一下。风电首先它是清洁能源，电能生产过程中几乎没有污染，没有任何的一些污染物排放，也没有这种温室气体排放，这是它主要优势，风能还有优势，风能是一种可再生能源，只要太阳升起来，我们的地球上就会有风，风是永远不会枯竭的，取之不尽，用之不竭，而这个煤、石油、天然气这种化石能源总有枯竭的一天。我们国家为什么把风电看得这么重？清洁能源很多类型，它是属于最早，而且目前是规模化运行最好的一种清洁能源。咱们国家的话，风电实际上2006年是个节点。2006年之前的话，咱们国家风电早期规模非常小，技术这块非常弱，包括产业链这块也都不行，但经过这十几年发展，从它的整体设计，从这个资源规划，包括微观选址到设备制造，先进设备制造，以及后期的运行维护这一块有了很大进步。从整个一个完善的产业链这块，确实是从一个几乎是很落后的状态，达到了实际上是世界第一了。说到这儿，我们来看看风力发电技术是如何一步步走向实用化的，我们通过短片了解一下。
早在上世纪八十年代，我国相关单位已经认识到风能的优点，并通过引进技术，开始在沿海地区小规模建设。通过这批风电项目，我国初步掌握了风电技术，但是风电在发展过程中也暴露出一些问题，比如风电由于能量密度较低，只有建设较多的风电机组，才能形成规模效益。但我国沿海地区人口密集，土地资源紧缺，可供建设大规模风电场的地块相对较少，只能利用远离生产生活区的山地进行开发，不但建设难度大，而且风场内各台风机接收到的风量差别较大，影响电流的稳定性。因此之后我国将风电建设重点放在了西北、东北、华北地区，这些地区地广人稀，可以选择地势相对平坦地段建设大型风电场。充足的土地面积，相对较强的风力以及低廉的建设成本，使这一地区风电产业快速发展，成为国内风电建设的热点地区。但在2016年前后，由于三北地区的风电快速扩张，而输电能力的发展相对滞后，大量电能无法外送，造成了较为严重的电能浪费，使这一地区风电发展相对放缓，国内风电建设的重点有向海上风电转移的趋势。那么，海上风电究竟有怎样的优势？它的开发又难在哪里？我们为什么把目标转移到大海上？
咱们国家发展最早开始先发展陆上，陆上主要的特点就是它成本低，成本低的话起步也比较容易起步，咱们国家实际上是2006年以前，整个风电装机还是很小规模，几乎可以认为是零。2006年公布了《（中华人民共和国）可再生能源法》以后，开始大力发展陆上风电，经过这样十几年发展，现在我看新的统计装机是到了三个亿（千瓦），占比应该到了12%，整个占比未来还要进一步发展情况下，陆上资源毕竟还是有限，这样可能将来肯定是要往海上发展，去把风电规模做大的。风力发电当然可能还有一些不足之处，比如风的能量密度相对比较低，风力发电和水力发电它们的本质原理是一样的。但是两者的能量密度，大概可能差距的就是800多倍，数十台风机组成一个风电场，发出一个总的发电量，可能还比不上一个单台的水电机组的发电量。我们把目标转移到海上，是因为海上的风力更大，能提供我们的电源更强，是这样的道理吗？还是其他的原因？
你是抓到点子上了，海上肯定是风力要比陆上强得多，咱们这个风它是这样，沿着地面它是逐渐往高里走的，越高的话风能量越大，所以说的话我们希望把风轮做大一些，吸收高处的风，把它立得高一些。同样高度上，海上能量要比陆上要高得多，这是第一个。第二个海上它比较平整，它不受地势影响，这样的话它可以在同样的直径下，就同样的面积下，它可以获得更多的能量，这是海上的优势，所以说未来发展肯定是海上是一个重点。另外还有一个优势就是说我们海上风电，离我们这个输电距离比较短，比如我们国家现在这个传统能源结构，我们都是能源提供方，都主要集中在我们西部和北部，特别是像我们西南的一些水电，还有我们山西内蒙（古）的一些火电。但是我们能源电子主要的使用方，大部分都集中在经济发达地区，就中东部和南部，这样的话就有一个远距离输电的问题，远距离输电吧，它整个输电过程中，这个损耗就比较大。另外一个，我们整个电网的控制难度也比较大，就控制比较复杂，我们海上正好解决这个问题，海上风电，海上风电场都与我们的一些大城市经济发达区比较近。比如我们江苏盐城的海上的风电场，它就距离我们南通大概也就100公里，距离上海有200公里，这样的话它输电距离比较短，这样损耗就小，然后我们整个的发电成本也就明显就会下降。
我们国家这个地理状况可以建海上风电的资源多吗？应该说近海不多，但是现在即使不多也在建立，咱们国家像在江苏在福建周边，也都规划了好多风场也在建，包括广东那一块，但它们各自特点不一样，应该说咱们国家的近海风场不算是特别丰富，远海非常丰富。相对来说远海它第一个资源好，第二可能面积更大一些，更容易展开一些，而且的话远海有个好处，它不影响居民。但这似乎是一个矛盾，比如近了我们输电比较方便，但是风力相对差一点，远了风力好了，但是输送的距离又变远了，这个矛盾怎么解决？但是海上输送距离它还不算远，海上主要问题是往远处以后，它的设备制造这块，包括安装运输这块，成本就急剧上升了，这块可能是早期咱们国家海上风电发展慢，也是个主要原因。我们国家每到夏季的时候，你就看天气预报，说沿海登陆什么什么台风，经常有台风登陆我国沿海，对我国的海上风电的发展是什么样的影响？这就是海上和陆上的一个差别，海上咱们国家风况条件还是不一样，虽然说好就是它资源非常丰富，但是它有些极端情况，特别是台风，所以说的话风电机组咱们看上都是这么一个杆，就是大风车，其实海上大风车它造价要比陆上要贵得多，为什么？它得考虑抵抗这些极端情况，海风它主要影响就是一个载荷，载荷大，特别是极端载荷，这样的话比如说像叶片，像塔筒等等这些，包括其它一些关键部件，设计上就要考虑比陆上的要粗壮一些。要坚固得多。对，要抵抗台风的影响。
当然现在咱们国家设备厂也做了好多这种抗台风的一些设备，当然肯定要贵一些，造价贵，陆上比如说大概（每）千瓦是3000到4000（元）的样子，但海上要贵多了，更不用说还有一些基础，还有其它一些海洋电缆这些东西，它并不是距离问题，距离倒不是主要的。刚才也提到了在海上建风电这些设施，跟陆地的风电设施是不太一样的，强度起码要加强了很多倍，在这一点上是不是也提高了我们的运营成本？那肯定，而且这只是从设备角度，就投资成本高了，而且还有运营成本，还另外一块，就是运营和维护这块，海上肯定跟陆上不一样，比如陆上如果是出了个故障，我直接可以派人去，我们叫可达性或叫可及性。但是海上比如说你知道那有故障，有可能就去不了，经常赶上海浪天气之类的，这样你就要等到它平静以后才能去，这个过程本身就是一种增加成本的过程，所以说海上运维这块是一个比陆上特殊多得一个地方。目前我们既然已经决定了在海上建风力发电，我们的应对策略是什么？海上因为它风能资源确实很好，就是说可以保证发电量有保障的，就是说我们可以做个比较，我们陆上一般正常可能（每年）发电小时，大概是2000个小时左右，但我们海上可以做到3000到4000（个小时），所以我们一方面海上的风能资源是比较丰富的，可利用。另一方面我们还面对一些我们技术上挑战，这样的话，我们就通过技术创新，我们大大降低我们整个设备的成本，降低我们的运维成本，对于我们的技术创新又提出新的挑战，所以这也是我们风电同仁需要下一步做的一些重点工作。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。
内陆风电具有建设成本低，维护成本低的优势，但长距离输电会抵消一部分成本优势，并且内陆地区风电季节性波动明显，夏秋季发电量有一定程度降低，这一缺陷依靠现有储能技术也难以完全解决。海上风电不但能够避免这些问题，而且海上风能的总蕴藏量远高于内陆，因此海上风电更有发展潜力。但目前海上风电安装、运营、维护都面临诸多难题，导致海上风电成本高昂，首先是风电机组的安装问题，海上波涛汹涌，导致风机的起吊安装效率极低。为此我国工程技术人员开发出专用的海上风车安装船，可以在恶劣海况下，对风电机组进行整体吊装，保证工程安全高效地完成。其次，研制了海上风机专用的结构和材料，不但不惧狂风巨浪，而且可以抵御海水腐蚀。依靠这些技术，我国已大大降低了海上风电的建设安装成本。那么如何降低后续的运营维护成本，促进海上风电良性发展呢？严先生讲这个技术创新，跟我们陆地风电的差异是什么？有共性的地方，比如说我提高风电机组的能量转化效率这块，它一样的，但是海上有它的特殊性，海上特殊性的话就是我希望，因为它既然投入那么高，我希望多赚点钱就多转换点能量，这样我单机尽可能做得很大。
做大了以后，我单机的在短时间内就可以让这一块收益高，但是当然它正好也配合了刚才讲了抗台风这块，我就可以把既然我投入大，我就把设备做得强壮一些，干脆我做大一些，转换能力高一些，提高它的效率这一方面。海上特殊还有一点就是它无人值守，无人值守这一块，可能就要加强这个，我们叫利用现代手段了，叫ABC人工智能，大数据和云计算，这些新的手段，加到海上风电这一块。安全保障不光是安全保障，就提高它的智能化水平，同样条件下让它多吸收电，多发电，这样的话就弥补一些成本方面的（劣势）。我们还能在它智能化方面也要做一些工作，比如做一些这个优化一些抗台（风）的控制策略，尽可能地降低这个台风对我们机组的损伤。我记得前些年，我在采访风力发电的时候，那个时候除了我们这个电的质量可能会偏低一点，还有电价还要高一些，所以就给它真正流入市场，制造了很多的难度，今天我们这些问题解决了吗？
早期风电当时跟传统能源还是有这些竞争上的劣势，早期为了鼓励发展风电，所以说国家有些补贴政策，一度（千瓦时）电给你补贴一些钱，我记得早期在咱们张北这块，一度（千瓦时）电能六毛（角）多，这样它就有一个有可能往回收益的过程。但目前这个陆上风电，随着技术发展，这块已经具备竞争力了，就把它给扶起来了。这样这些优惠政策从去年（2020年）都已经取消掉了，陆上已经推向市场竞争了，海上目前还是有些优惠政策，因为它特殊，但是这个政策可能跟陆上发展也是一样，将来肯定也会把它推向市场去竞争去的，优惠政策或者辅助政策就取消掉了，这个好像我记得是（2022）年，就会去掉了。我们国家陆上风电，经过十余年的发展，我们技术非常成熟，然后我们已经具备了很强的一个竞争实力，我们已经实现了平价上网。既然经过了这些年我们陆上风电的努力，我们能把这个陆上风电的这些努力和经验带到海上风电上吗？
肯定，因为风电的各个环节，咱们国家已经比较成熟了，再不像以前那种初等生了，包括从规划，从运行维护这些已经积累了大量的经验，包括科技成果，这些就可以直接用到海上，只是海上特殊一些东西。你比如说基础的设计，安装运维船这东西，可能是相对新一些，但这个咱们国家已经具备这些中国制造真是不是白吹的，特别是海上风电整个全体系的，做得非常好，发展非常快，其中大部分的陆上风电的一些成熟经验和技术都可以用到海上去。对于海上风电的一些问题，我们的对策相应体现在哪些方面？因为我们做风电这块，就海上这块，刚才讲特殊的，比如说像它的。气候恶劣、建设成本、运营成本，面对这些我们怎么对策？首先台风这种气候它会有些特殊设计，从设计角度主要是影响到就是本身这个设备，设备安全性这一块，风大载荷大。能说得再具体一点吗？别把它刮倒，来个台风你不要刮倒它，它通过载荷优化这一块，因为它主要是从哪儿刮倒呢？主要是风作用到我的叶片上，作用到我的塔筒上，这样我从这个叶片的形状设计上，从塔筒的一个结构优化设计上，它的材料布置上，来保证能够抵抗住。当然它也是有限的，多少年（比如）五十年一遇台风，但太极端台风那就算了，五十年一遇台风，或者百年一遇台风，它也有要求的，从这儿从设计上做一些优化。
刚才大家也强调了，就说我们这个南方，像广东、福建有一个台风的问题，当然我们国家实际上在我们北方，北方的沿海可能就没有这个问题，但我北方因为受季节影响，它有结冰的问题。我们可能还要再考虑抗冰的设计，特别是我们基础这块。实际上北方和南方的话，我对比过看过这些装在广东的风电机组和装在这个咱们，比如说唐山附近的风电机组，唐山附近风电机组，因为它的海域情况相对来说跟陆地差不多，除了多了一些基础以外，它的设计角度考虑上，可能就刚才讲就是东北这块（叶片）覆冰，出现冰。而且东北有个问题是雷击，来个雷以后，它可能把叶片打掉了、打坏了。布设一些避雷的方面考虑就会特殊一些，所以我们要针对不同海域特点，实际上要做这种定制化的一个设计，尽可能跟我的环境条件，自然条件相匹配，所以说有针对性的定制化的设计，可能也是我们海上风电发展很好的一个策略。之前两位也谈到，目前我们国家的海上风电处在一个尝试的阶段，这个尝试阶段到目前为止我们取得了什么样的成果？
海上风电近海这块固定基础这个，应该尝试着已经开始规模化发展了，已经开始规划了。比如说刚刚讲了，在盐城附近的大的风场，千万（千瓦）级的都已经开始规划了，远海这块的漂浮式的，确实是在技术发展期。我看过好多一些概念设计，比如说一个很大的一个网箱，大的构架这块上面装风电机组，它一方面的话，风电机组本身抗它的晃动，它的基础大。另外既然基础做那么大，我可以把它再发挥别的作用，养鱼或者是干一些别的什么事情，简单一个小基础，可能它的漂浮问题就比较突出，我干脆把基础做大，做大造价又贵，这样我就可以考虑一些其他的因素在里头。我们国家近海的海岸风电，我们已经实现规模化开发了，目前我们在深远海这块，我们还在做科研探索。所谓深远海一个是有离岸距离，就是我们叫远海，一个是水深，我们国家还有一些特殊的，特殊的一些海域，比如它虽然离岸离得很近，但是海水却很深，比如像我们广东的有的近岸深水区，可能离岸就十几公里，可能水深可能就达到二三十米了。所以我们国家正在开始做这方面的探索，就在这个区域内，我们是搞这种固定式的海上风机，还是搞漂浮式海上风机，这还需要我们做一些科研上的探索。两位也给我们介绍一下这些年来我们国家海上风电的发展状况，取得的成果是什么？
咱们国家海上风电比刚才讲的欧洲这块，应该说还是晚一些，因为毕竟它造价贵，但是这些年发展非常快，欧洲是从2007年左右开始海上风电开始建了。咱们国家在一几年（2010年左右）开始建海上风电，但是很快就追到了，追到了第三，现在已经到第二，很快就第一了实际上是，跟第一名差，就差个几百兆瓦，英国是第一，差得不多。而且按照现在的装机形势来看，年增20%，很快就会超过它了，发展非常迅猛。像这样的大型的电力装机设备，如果能够形成良性的循环，一定是要盈利才可以达到良性的循环。目前我们距离盈利还有多远？我们海上这个发展成本目前还是比较高的，可能国家从明年（2022年）开始，就取消了这个补贴了，所以对我们行业的一个挑战很大的，形势也很严峻。我们目前还是在做探索，因为这个其实有一个探索过程，经验累积的过程，这样的话我们会得到一个爆发点，到那个点我们就可以实现这些。我们在录制这期节目的时候，已经接近2021年底。2021年底了。明年（2022年），我们国家取消补贴的时间是2022年，还不到一年的时间，这一年里我们要做什么样的努力，才可能在取消补贴之后仍然能够让它良性循环？
首先，第一点就是说，我们现在还是会再朝大型化发展，我们国家进步非常快，我们10兆瓦的已经下线了，也已经并网发电了，这是一点。第二点，就是我们的一些数字化，一些智能化的手段也用上了，我们的数字化的海上风电场正在建设，我们的一些智能智能化的手段也在推广使用。这样的话，我们可以通过各个技术维度，我们从全方位地去做到技术的创新，然后通过技术创新我们去把成本降下来。说到这儿我们来看看我国的风电技术，是如何在激烈的国际市场竞争当中脱颖而出的？西欧、北欧地区由于矿物能源蕴藏量有限，所以上世纪70年代率先把注意力转向风电。世界最早的实用化陆地风电场和海上风电场都出现在这一地区，旺盛的能源需求和相对较高的基础科研水平，使这一地区长期处于风电技术领先地位。进入21世纪后，世界各国都将风能规划为未来的主要能源之一。因此，必须在技术上自主突破，才能保证能源安全，并在未来的风能市场上拥有一席之地。我国风电经过长期探索，近年来关键技术不断突破。2021年我国生产出长达102米的风扇叶片，长度居世界第二位。这相当于一个足球场长度的叶片，可以将风能的利用效率提高到50%，逼近物理极限，达到世界顶级水平。除提高单机效率外，我国还努力提高风机的环境适应性。
2021年9月，我国在广东阳江海域开始建设漂浮式海上风机，采用这一技术可以摆脱水深对风电安装带来的影响，使我国风能最富集的深海远海区，可以被开发。那么这一系列新技术的应用，会对我国未来电力供应产生怎样影响？未来风电又有怎样的发展趋势呢？既然往海上走是必然趋势，就是未来海上风力发电，是我们非常看好的一种清洁能源，那未来我们的规模将会发展到整个国家电力储备的一个什么样的占比呢？这块的话像专家预测也都很多，首先我们国家未来经济发展，到底这个发电的装机是个多大的规模，这块的话可能也有各种各样的预测。咱们国家的高速发展经济形势看，比如说整体到40个亿50个亿（千瓦）装机，至少的话有形的这块，就是咱们国家政府提出来，到2030年就达到碳（达）峰的时候，可再生装机达到12个亿（千瓦）。主要是光伏和风电两种，按风电是6亿（千瓦）算，那个占比应该到按照现在比例是占到20%多这样的比例。那么将来还是国家的长远战略来说，还是发展可再生能源，这样的话可能这个比例应该还是往高里走，比如说达到了百分之三十、四十，都是可期的。我们未来要达到这样高的比例，要能够在海上风力发电方面给我们提供充足的高质量的电力，我们还需要做哪些技术上的补充才能做到？
风电产业链的话，它整个产业链包括制造设备制造这一块都在做努力，它在做了一些，比如说大型化的过程中，就我刚才讲过单机这块，尽量多转化电能，同时要效率提高，它采取好多措施，像现在叶片儿设计这一块，和以前传统完全不一样。叶片的整个，比如说整机的真空铸造，再加了一些，从叶形角度加了一些提高效率的措施在里头，这样就使得同样的一个造价情况下，可以转换电能的效率高多了，这是一块大型化这一块。再一个将来智能化这块，智能化这块很关键，特别对运营商这块。因为海上不可能是人在那儿盯着，就得靠各种各样监测手段，避免出现故障，就降低它的运行维护费用这块，这是很大一块，其他的包括像储能这一块，加储能这一块，平滑这些。把风电的一些波动性和随机性降低下来，这样让它的电能质量更好一些，这样本身也是提高它的一个商业化价值过程。我们还是要把风机风能转换效率要提升，再有一些叶片方面一些创新性的工作，这是第一点。第二点，我们在我们的一些这个智慧化运维的手段上，技术手段也要进一步地去提升，提升我们生产管理的一个能力。其实实际上主要是解决两个问题，第一个就是说我们提升我们的设备的性能，第二点提高我们运营的质量，所以这些都是离不开我们的各种的技术创新的。
风电发展这些年，每年的话就从省级层面上、国家层面上的一些科技进步奖，其实风电占的比例也挺大的，这些都支撑了。风电过去十几年成本降得非常厉害，我相信将来海上风电这块也会大幅度把成本降下来的。感谢两位来到我们演播室，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目。如果你想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目，我是胜春，咱们下期节目再见。
