我国自主研制的风电机组，再次刷新单机容量最大的世界纪录
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。
2024年6月5日，18MW半直驱大功率海上风电机组在广东省汕头市风电临海试验基地成功完成吊装。图片来源：东方电气集团
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。
“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。
18MW中速全集成海上风电机组完成安装。图片来源：央视新闻
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，但其实两只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
[1] VACLAV SMIL：Wind Turbines Just Keep Getting Bigger, But Theres a Limit The biggest blades will soon top 100 meters, and some people are talking of 275 meters—but the laws of physics must be taken into account
[2] Simon Hogg：Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
[3] Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
策划制作
出品丨科普中国
作者丨城明辰 科普创作者
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
转一圈发电342度，年发6600万度，世界最大风力发电机现在咋样？
风电发电机组比我们想象得要大很多，但很多人可能不知道，那些真正巨大的风电机组通常出现在海上，而不是陆地上。
目前全球最大的已并网风电发电机组是GWH252-16MW， 它在海上——坐落在中国福建平潭海域， 由中国三峡集团和金风科技联合打造，2023年7月份的时候成功并网。
这台风电机的单机容量达到16兆瓦，而现在陆地上最大的风电机，单机容量只有10兆瓦左右。
之所以海上风电机更大，其实最主要的原因是物流 。随着发电功率的增加，风电机会变得越来越巨大，从而导致陆地上难以将叶片等部件运输到指定地点。
由于海上运输方便许多，所以有机会制造更大的风电机，但是海上风电机的安装难度却比陆地要困难许多。
不过，正因为海上更难，更大的风电机，所以真正考验风电技术的地方还是在海上。
在GWH252-16MW并网发电之前，全球最大的风电机组是丹麦的维斯塔斯V236-15.0 MW，它的单机容量是15兆瓦，而在咱们GWH252-16MW投入使用的时候，美国则刚刚开始投入研发13兆瓦的海上风电项目。
图：海上风电基础设施-海底电缆的铺设
可以说，GWH252-16MW的成功意味着中国在风力发电领域达到了绝对领先的地位，真正的遥遥领先。
不过，中国发展风电受到了许多质疑，在GWH252-16MW成功并网的时候，许多国外媒体也报道了此事，当时很多国外网友表示它将会杀死很多鸟类，它会对海洋生态造成影响，以及制造它需要多少化石燃料，还有网友表示先抵抗一场台风再说。
那么，有趣的问题是，这台全球最大的风力发电机投入使用9个月，到底有没有出现这些问题呢？
最大风电机到底有多大？
对于GWH252-16MW而言，它的单支叶片长度就达到了123米， 整个风轮直径达到252米，扫风面积达到5万平方米，这相当于7个足球场的面积。
随着材料的升级，GWH252-16MW的叶片全部采用碳纤维材料，单个叶片重量只有54吨，在它之前的风电机超过100米的叶片，基本重量会达到100吨前后。
另外，机箱的高度在152米前后，重量达到570吨，相当于10列复兴号的重量。
值得一提的是，这座发电机组技术工艺上，咱们拥有100%的自主知识产权，而材料上也实现了96%的国产化。
当然，这样一个大家伙发电量自然也是比想象得要多得多，它的叶片转动一周就可以发电34.2度，这个电量差不多是一个普通家庭的一周的用电需求。
据估计，它全年可以发电6600万度的样子，这个电量足够一个10万人的小镇的全部用电需求。
咱们国家是全球用电量最大的国家，占到全球总用电量的三分之一左右 ，但是我们现在的主要发电形式是火力——烧煤发电，这占了所有装机容量的60%以上。
随着用电需求的增加，如果我们继续高度依赖火电，那么对环境的危害会越来越大。
而风电是可再生的清洁能源，我们自然需要大力发展它，发展风电没有任何问题。
其实，我们现在风电领域技术全球领先的一个原因就是我们用电需求大，我们必须要找到更清洁的可再生能源，不然就会很不可持续。
2023年7月份，央视《对话》栏目有一期就是讲这个最大风电机组的，当时明阳智能的总裁张启应也指出了这一点，对清洁能源的迫切需求是我们造出大风机的原因之一。
那么，这台全球最大的风电机现在到底咋样，它有没有出现大家担忧的问题呢？
最大风点击现在咋样？
首先，它当然没有被台风摧毁，甚至在一次台风天气中都创下了风力发电机单日发电量的世界记录。
在2007年的时候，咱们国家的风电技术还相对落后——主要依赖德国的技术，当时咱们就想制造抗台风的风电机，但是德国并没有这样的技术，当时的德国专家表示，咱们国家在10年内不能造出抗台风。
然而，这一年（2007年）全球第一台抗台风发电机就被我们造了出来。
其实，现在风力发电机能够抗台风的原因很简单，因为它并不是一个简单的发电设备，有人称之为巨大的机器人 。
每台现代风电机上面都有1000多个传感器，这些传感器会感知风向、风速、湿度，甚至是海面的波浪，机箱和叶片会根据风速、风向来做出调整。
当风速超过了风电机的运载能力时，它会调整到一个阻力最小的状态（平时的话则是调整到阻力最大的状态来让风力带动叶片转），然后完全停止转动，以此避免电机损毁 。
在2023年9月1日，台风“杜苏芮”袭击了福建沿海，而这台风电机乘着台风天，当日发电量打破世界纪录，达到38.41万度。
图：风电机超负荷运行损毁
GWH252-16MW的预设最大发电功率是16兆瓦，这意味着它24小时满功率运行的话，发电量应该是38.4万度，但是实际纪录比这个值多发了100度电，我没有查到为什么会这样，但是在之后没多久的12月21日，这台风电机单日发电量再次打破世界纪录（非台风天）——达到了38.72万度。
估计风速没有过分大的话，风电机并不会被锁定运行，它会超负荷运行，从而发出更多的电。
最后 ，我们再来说说，风电机对生态是否真的影响很大吧。
其实，大家最关心的对鸟类的影响是非常小的，这是有数据支持的，每年被风电机叶片打死的鸟类只有不到被汽车撞死的千分之一。
很多人认为风电机叶片转速很慢，觉得它不可能打到鸟类，这个想法是错的。
风电机叶片的转速慢就像我们觉得风电机本身并不大一样，只是视错觉 ，它在做圆周运动，而且叶片本身很长，越靠近叶尖的地方，意味着它的线速度就越快。
GWH252-16MW的叶片在满功率运行的时候，我们也不会觉得它转动有多快，但是它的叶尖速度会超过350公里每小时 。
当然，没有鸟类的飞行速度比这个更快，所以只要鸟类进入一定范围，它就无法逃脱，会被叶片高速打到。
但是，如你所见风电机是在非常空旷的地方运行的，它与鸟类相遇的可能性非常低，不仅如此，现在的风电机是有驱鸟设备的，它根本不会让鸟类靠近。
另一方面，它对海洋生态的影响也非常小，甚至有研究指出，因为风电机在水下的部分形成了人工鱼礁效应 ，给海洋生物提供了安全的栖息地，大大增加了该海域的生物多样性。
总得来说，风电机可以得到清洁的可再生能源，而对生态的影响并不大，当然，制造风电机需要化石燃料，但是考虑到它会在未来运行几十年，这些碳投入是值得的。
另外，16兆瓦远不是中国风电的极限，18兆瓦，20兆瓦，22兆瓦早已提上日程，或已经下线。
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