风力发电大放异彩

阿联酋迪拜 18 十月 2023

种种迹象表明，风力发电行业即将大放异彩，风电场从昔日有碍观瞻转变为旅游景点，似乎是最出乎意料的转变之一…… 但事实的确如此！纵观各地，英格兰南海岸地区公民更倾向于抵制变革，而不是享受新事物。Brighton 渔民和潜水员现推出游船服务，供游客观赏 RWE 运营的 400 MW 海上风电场Rampion，而它曾因破坏附近国家公园景观而备受争议[1]。

近期的全球事件一再突显，开发可再生能源（而不再依赖化石燃料）绝不仅仅是环境问题。想要获得经济安全的能源，就必须实现近距离供应，而不是在数千英里之外跨越多国通过油轮和管道输送。

更令人欣慰的是，风力发电支持技术日益成熟，克服经济、安全、可靠地发电面临的种种挑战。人们一直担心风力涡轮机会干扰野生动物和雷达，不过随着叶片技术的不断改进，问题终将通过研究得到解决。海上风能和浮式底座等创新技术发展迅猛，有望在不久前很多部署项目甚至还不可想象的地方提供大量风能。随着研究人员持续发掘水平轴风力涡轮机 (HAWT) 和涡旋的发展潜力，即便熟悉的风力涡轮机模型也可能做出调整。

与此同时，鉴于风力发电场选址愈来愈偏远，3D 打印等新型制造方法开始崭露头角。不仅仅是涡轮机在发展，配电网络也是如此，因为配电网络必须适应非恒定电流带来的冲击。

市场不断拓展

相对于化石燃料发电，风力发电成本较低，这也是风力发电日益繁荣的一个重要因素。例如，在美国，风能成本已从 1980 年的超过 0.55 美元/千瓦时 (kWh) 降至如今的不到 0.03 美元/千瓦时 (kWh)[2]。当然，鉴于地区情况有所差异，规模也会有所不同，但这无疑表明风力发电的成本效益十分显著。未来仍将继续增长，2023 年 6 月能源研究所[3]发布的最新数据印证了这一点。2022 年全球风能发电量高达 898,824 太瓦时，较上一年增长 9.1%。自 2012 年起，年增长率更是高达 12.9%。

世界各国纷纷加速建造风力发电机，表明人类对风能的认可度越来越高。2022 年新增风电装机容量近 78 GW，也是历史上增速第三高的年份（仅前两年高于本年度），风电总装机容量达到 906 GW，同比 (YoY) 增长 9%。

其中，68.8 GW 来自新型陆上风电装置，其余来自海上风电装置。中国在海上风电领域继续引领全球，总容量为 5 GW。2022 年，欧洲风电装机容量达 2.5 GW，法国和意大利分别启动首个商用海上风电项目。欧洲海上风电总容量达 30 MW，其中 46% 来自英国。

前景广阔

全球地缘政治面临各种不确定因素，各国纷纷重新聚焦可再生能源，以期增强能源安全性和弹性，特别是在美国和欧洲[4]。

欧洲推出 REPowerEU3 计划，承诺到 2030 年（甚至更早），欧盟将减少对俄罗斯天然气的依赖[5]。该计划旨在消除阻碍可再生能源项目部署瓶颈和面临的其他障碍。与此同时[6]，美国颁布《通胀削减法案》(IRA)，改革美国对可再生能源、脱碳交通、储能技术、电网和能源效率的方法。在立法的刺激下，行业投资大幅激增。同样，中国^“十四五规划”[7]（2021-2025 年发展规划）获得批准，指出将坚持创新驱动、可持续和低碳发展。规划针对减少碳排放强度设立了目标，目标是在 2030 年前实现碳达峰。

在这种背景下，GWEC（全球风能理事会）市场调查预测，2023 年新增风力发电装置容量将超过 100 GW。这还仅仅是开始。据预计，到 2027 年，每年平均新增装机容量将超过 136 GW，根据现行政策新增装机总容量将达到 680 GW，预计未来五年的复合年增长率 (CAGR) 为 15%。

能源结构

显而易见，风能行业发展迅速，但真的能在 2050 年之前使全球能源行业实现二氧化碳净零排放吗？ 2050 年前实现净零排放：IEA（国际能源署）《全球能源行业路线图》[8]规定了最低要求。

报告[9]指出，2022 年化石燃料仍占全球能源消耗总量的 82%，与前一年持平，导致随着全球能源消耗量增加，温室气体排放量攀升 0.8%。去年，可再生能源（不含水力发电）仅仅只能满足全球 7.5% 的能源需求。

GWEC 预计，2023 到 2027 年间，全球风电发电量将增加 680 GW，其中 130 GW 将通过海上风电实现。海上风电将发挥越来越大的作用，预计 2023 年到 2025 年全球新增装机容量将超过 60 GW，2026 年到 2027 年将达到 68 GW。

海上风电发展机遇

尽管目标十分艰巨，但随着将负担得起的安全能源作为新的优先事项确立，以及技术在建设和运营风电场以及分配或储存电量方面的效率越来越高，仍有许多让人们乐观的理由。举例来说，20 世纪 80 年代建造的风力涡轮机叶片长 15 米（49 英尺），发电量为 0.05 MW。如今，海上风力涡轮机叶片长度超过 100 米，发电量高达 14 MW[10]。

浮式海上风力涡轮机 (FOWT) 是公认的最具发展前景的技术进步之一。它们不仅费用低于固定底座涡轮机，而且还具备两大关键优势：支持在 60 米以上的深水域使用，即使在 30-50 米的中等深度水域也能轻松安装涡轮机。

相较于固定装置，FOWT 制造和安装更加简便，因为可以先在陆地建造和组装后再拖到海上现场安装。因此，FOWT 的环境影响大幅减弱，因为海底侵入性活动少得多。

全球约 80% 的海上风能区域位于水深超过 60 米的地区[11]，因此浮式海上风电的发展前景十分可观。到 2030 年，GWEC 预计浮式海上风电行业将加速发展，预估市场容量为 16.5 GW。中国已安装首台浮式海上风力涡轮机“三峡引领号”，还有很多项目正在筹备当中[12]。

设计进步

虽然利用 FOWT 开发深水域或许是推动风力发电发展的最重要举措，但研发小组仍不忘努力提升近海装置的发电量。

风力涡轮机规模越来越大，这一趋势仍在延续。例如，通用电气公司的海上 Haliade-X 涡轮机高达 853 英尺，电力输出较其他海上涡轮机超出 45%。在挪威，海上捕风系统采用多个交错排列的小型涡轮机，简化了组装和维护，无需使用重型设备。美国能源部 (DOE) 表示，到 2035 年，风力涡轮机将增长两到三倍[13]，陆基涡轮机的中位数为 5.5 MW，海上涡轮机的中位数为 17 MW。据称，到 2050 年，这将使得陆上和海上风电装置成本大幅下降 35%~50%。

侧转方式

涡轮机也可以侧转，垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 的优点在于：发动机效率高于传统水平轴风力涡轮机，布局更加紧凑，入网后性能随之提升。

研究表明[14]，如果使用大型垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 取代传统水平轴风力涡轮机 (HAWT)，当第二转子在下游三个涡轮机直径处并与风向成 60 度角时，将增加 15% 的电力输出。当 VAWT 串联布置时，电力输出显示额外增加约 3%

同时还涌现出一些新的方式，不仅可以降低安装和运行成本，还能提高风力发电效率。例如，西班牙初创公司 Vortex Bladeless [15]正在开发一种涡激振动共振式风力发电机，利用被称为涡旋脱落的涡性现象产生风能。由于活动部件较传统发电机更少，这种无叶片涡轮机维护需求更低。

机载创新

如果可以不需要叶片，那为什么不设法摆脱更加昂贵部件之一的塔架呢？空中风能 (AWE) 正是采用这种方法。AWE 秉承两大主要原则来利用风能。一种方法是将微型风力涡轮机和发电机安装到飞翼上，将风能转化为电能。另一种方法需要机翼拉动系绳，使其从地面滚筒上松开，然后驱动发电机。此类地面发电技术需要将系绳卷回，继而实现泵送或“溜溜球”动作[16]。

在欧洲，这一行业有自己的协会，即空中风电协会，并且已与大型公用事业公司建立合作。德国公司 RWE Renewables 和 SkySails Power 同意试运行 200-kW 项目，在距地面高达 400 米的高空放飞 120 平方米的风筝，利用高空风力发电。挪威公司 Kitemill AS 表示，首次自主放飞成功后，30-kW 技术充分印证了其发电潜力，公司计划打造首个风筝示范园来推动商业化进程

韩国 Odin Energy[17] 呼吁建造 12 层采用 VAWT 的无声风塔，或许会安装在建筑物顶部。公司表示，该系统通过风压差产生涡流来利用风力，可以利用不超过 3.5 米/秒的微风发电。Odin Energy 表示，该系统的发电量至少为现有风力发电系统的四倍，空间占比仅为原来的 1/80。据公司估算，首个 10 层塔楼的资本成本约为 140 万美元，平均能源成本 (LCOE) 约为每兆瓦时 90 美元[18]。

降低成本

降低制造和安装成本面临多重挑战，涵盖建造可运营风电场的各个阶段，包括涡轮机叶片直到现场安装等各个环节。

在制造风力涡轮机叶片的过程中，生产插头或最终叶片的全尺寸表示（后续用于制造模具）是最耗时、最费力的工序之一。为解决这一问题，美国能源部风能技术办公室和先进制造办公室与多家公共和私人组织合作，运用增材制造（也称为 3D 打印）简化这一过程。

3D 打印也可用于解决将部件送达现场的纯粹物流问题。涡轮机越大，效率越高，输出越大。但是，如果必须预先组装，而后逐个运抵现场，那么必定要遵守尺寸限制。例如，在美国，由于运输限制，底座宽度不能超过 4.5 米，因此涡轮机高度限制在 100 米以内。现场打印基座是规避高度限制的一种方法，GE Renewable Energy、水泥制造商 LaFargeHolcim 和 COBOD International 目前正在推进相关项目[19]。到目前为止，COBOD 已利用其大型建筑 3D 打印技术制造了一个高达 10 米的 3D 打印混凝土底座，但终极目标是 200 米。同样，运输限制也会影响转子叶片。这里，重点是使用碳纤维等材料生产更轻的叶片，这样才能更轻松地运输和在现场组装长达 80 米的部件。

保护环境

风力发电行业历经多次重大发展和进步，人们对风能的看法以及利用风能的可行性发生巨变。风电场从昔日有碍观瞻转变为旅游景点，展现了人类采用清洁环保、可持续能源的重大决心。

更重要的是，近期地缘政治格局骤变，各国政府纷纷采取应对措施，将风能升级为“必备能源”，而不再是“很好但并非必要选择”。

与此同时，随着技术创新和研究的深入，行业前景进一步扩大。浮动海上风电场为利用深水区域创造了良机，而垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 及各类创新设计（如空中风能 (AWE)）有望提高效率并降低环境影响。制造技术（如 3D 打印）的进步不仅可以降低成本，而且还能扩大应用风力发电的可行领域。

然而，为实现全球能源目标，需进一步努力加速转向可再生能源，同时增加风能在全球能源结构中的份额。在持续投资、政策支持及协作的推动下，风电必将在实现可持续低碳未来的进程中发挥关键作用。

这是安利捷的使命，也是我们致力实现的目标。安利捷可再生能源旗舰业务 FRV 目前在五大洲运营着 50 多个太阳能和风能发电厂，预计到 2024 年装机容量将达到 4GW。2023 年 2 月，FRV 在英国开设了办事处，目前有超过 80 MW 的项目正在运行，200 MW 项目在建，超过 1 GW 的项目正在开发中。该地还将设立全球电池卓越中心。与此同时，根据监测工具 MODO Energy 拟制的排名，FRV 在刚果和霍尔斯湾开设的电池储存能源 (BESS) 工厂是该国表现最佳的两项电池资产[20]。