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科技创新,海上风电突破“卡脖子”难题|《海上风电》系列报道⑤

作者:
能源产业聚焦
来源:
中国能源产业发展网
2022/04/19 11:12
浏览量
【摘要】:
在“碳达峰、碳中和”目标、生态文明建设和“六稳六保”等总体要求下,我国能源产业面临保安全、转方式、调结构、补短板等严峻挑战,对科技创新的需求比以往任何阶段都更为迫切。

国家能源局、科学技术部4月2日发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》提出,重点任务包括深远海域海上风电开发及超大型海上风机技术,大容量远海风电友好送出技术,风电机组与风电场数字化智能化技术。国家能源局3月29日印发的《2022年能源工作指导意见》也提出,推进深远海海上风电技术创新和示范工程建设,探索集中送出和集中运维模式。

“海上风电建设环境复杂、投资规模大、技术要求高,已成为全球电力科技竞争的新高地。”中国工程院院士、中国华能集团有限公司董事长舒印彪近日表示,目前,我国高质量建设海上风电基地面临统筹规划需要加强、关键核心技术亟待突破、标准规范及政策机制尚不健全等问题,要抓住“十四五”窗口期,加快关键核心技术自主创新。

关键部件技术受制于国外

过去十多年来,虽然我国风电产业实现对西门子歌美飒、维斯塔斯等国外厂商的绝地反击,但是产业链基础薄弱的问题依然是隐忧。在海上风电蓬勃发展、大兆瓦趋势愈发明显等情况下,产业链协同创新的需求越发迫切。

风电机组主轴承是风机的核心枢纽,作为最难国产化的两大风机零部件之一,风电轴承的国内市场如今仍然被外企占据半壁江山。高端风电轴市场长期被SKF、FAG、罗特艾德、舍弗勒等外企垄断。

一方面,虽然我国部分整机厂商已具备大容量海上机组的研制能力,如明阳智能于2021年推出16MW的全球最大单机容量海上风机,一举使得中国开始领航全球风机容量大型化趋势。但如主轴承、电控系统等仍依赖进口。另一方面,柔性叶片的弯扭耦合,柔性叶片与变桨系统耦合的稳定性,叶片变形动态测试等方面仍受制于国外技术。

针对大兆瓦级别的主轴轴承受制于人的情况,国内轴承厂商加大了研发大功率风电主轴承的步伐,瓦轴、新强联、大连冶金轴承、天马轴承、洛阳LYC轴承、宝塔实业、齐重数控等企业正在积极推进进口替代和产能提升,国产化的5MW及以上主轴承已经下线。例如由明阳智能扶持的轴承厂商新强联,其5MW主轴轴承已实现小批量供货,5MW以上主轴承也已有样机使用,进口替代进程正在加速推进。值得注意的是,目前国内一些开发企业对国产主轴承风险评估较为谨慎,一定程度上导致国产主轴承缺乏市场验证。

发电机和铸件已经实现较大规模国产且产能较为丰富。相较而言,变流器的产能受到一定制约,主要在于风机的整流器和逆变器都需要用到IGBT模块,而IGBT则主要需要进口。在IGBT芯片设计制造、模块封装、封装测试等IGBT产业核心技术上,中国IGBT产业相关厂商与日本和德国厂商仍有明显的差距。

工程技术和国外尚存差距

海上风电要规模化发展,“摸清家底”是重要一步。然而,我国海上风电工程技术面临资源测量全面性和精确度不足、岩土和结构技术不够成熟等问题。

中国工程院重大咨询研究项目“海上风电支撑我国能源转型发展战略研究”显示,近海风资源普查和详查工作方面,尚缺乏高分辨率的近海风能资源图谱,增加了风电场的选址、机位布局、风电机组选型等系列工作的难度;50公里以外海域数据还不全面,难以为中远期规划提供数据支撑;海上风资源测量的全面性不足缺乏海洋水文测量和海洋地质勘察等评估。基于此,我国海上风电资源测量的全面性和精确度还难以支撑国家的开发布局以及风电产业的指导。

岩土工程技术方面,我国工程地质评价技术,特别是原状土高保真取样技术水平需要进一步发展。国外多根据实验室数据和原位测试数据建立具体土体的相关关系;而国内缺少针对性的原位测试手段,且因为测试过程执行不到位造成相关土体参数缺失或相对保守。

结构工程技术方面,大功率风电工程的风电机组叶片和耐久性、防冰冻、抗腐蚀、耐火性海洋材料的研发和应用需要加大投入力度。对于荷载仿真技术,国外研究机构和大学开发了多款一体化仿真软件,而国内还处于商业软件仿真阶段,在内部算法和测试验证方面仍需要进一步探索;国外对于支撑结构设计,考虑了多方面的因素(如风力机系统结构动力、空气动力及系统的稳定性和疲劳性问题等),而国内主要关注支撑结构的静动力特性研究。

在安全、可靠基础上提质降本

科技赋能双碳目标实现,创新决胜海上风电未来。业内专家建议,加快关键核心技术攻关,在零部件、机组、海装船、运维等方面一体化突破零部件方面,加快主轴承、控制系统、大型化与轻质化叶片、高压直流海底电缆等关键零部件的研发应用,在确保安全性、可靠性的基础上提高国产化率。加大政策支持力度,建设国家级新能源实验室与公共研发平台,开展基础性及共性技术、引领性和颠覆性技术研究,形成具有原始创新和自主知识产权的重大科研成果。

主流风电企业人士向记者表示,建议国家每年海上和陆上合计拿出500万千瓦的示范项目用于支持国产化创新技术和产品试验,加速风电“卡脖子”部件及原材料国产化进程。另外,针对国产化主轴承等行业普遍关切又不能快速大规模推广的关键部件,建议由国家支持第三方机构建立试验平台,提供量产前的检验试验,为业主自愿开展示范项目提供决策依据。机组方面,推进10MW等级机组性能提升与规模化应用,加强抗台、抗冰以及更大容量机组技术研究论证,增强环境适应性,为开发深远海项目做好储备。

此外,要加强对海域风资源的评估,形成高精度数据集,整合海洋环境重点要素,打造集风能观测与捕捉、海洋气候灾害预警等功能为一体的智能平台。

据悉,国内风电整机商已经迈出了步伐。明阳智能正在研发海上风电的水文气象数据库平台,可以预警海上风资源,并为开发海上风资源提供支撑,将于2022年全面上线。

业内人士呼吁,供应链企业深度参与整机的研发与制造,能够更高效地压缩样品开发、样机试验、市场批量化整个过程的周期。同时,供应链厂商提出零部件标准化设计需求,有利于产能提升和降低成本。

全国人大代表、特变电工衡阳变压器有限公司党委书记、总经理种衍民表示,走向深海、远海是海上风电产业的一大方向,建议国家出台政策支持海上风电输变电装备国产化和市场规模化应用,继续深入做好首台(套)重大技术装备保险补偿机制,鼓励和保障相关企业推广应用研发首台套海上风电相关输变电装备,加速赶超国外先进技术。聚焦深远海风电输变电装备“卡脖子”问题,鼓励龙头企业采用产学研用一体化模式,加快深海远海风电输变电核心技术和装备研发和应用,推动我国海上风电产业驶入“快车道”,加快助力“双碳”目标实现。

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