最新消息是，科技巨頭谷歌公司的產(chǎn)品研究部門GoogleX負責人對外表示，他們研發(fā)的“發(fā)電風箏”有望在4月正式飛天。事實上，谷歌在2013年時收購了一家風力發(fā)電創(chuàng)業(yè)公司，宣布涉足風電。近10年，世界風電裝機年均增長31.8%，成為全球最具吸引力的新能源技術(shù)。

任何行業(yè)的競爭都已經(jīng)是全球性的。在國際科技巨頭搶灘風電市場的同時，國內(nèi)風電企業(yè)近幾年也在苦練內(nèi)功。其中，成立于2007年的國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司已經(jīng)成為全球第六大風電設(shè)備制造及整體解決方案提供商。“聯(lián)合動力的發(fā)展與風電設(shè)備及控制國家重點實驗室提供的技術(shù)支撐密不可分。”聯(lián)合動力總經(jīng)理、實驗室主任褚景春告訴科技日報記者。

風電設(shè)備及控制國家重點實驗室于2010年5月由科技部批準建設(shè)。該實驗室以風電設(shè)備及控制技術(shù)研發(fā)為中心，以研究解決我國風電產(chǎn)業(yè)重大共性、關(guān)鍵技術(shù)難題為主攻方向，以提高風電產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力及核心技術(shù)競爭力為責任，為我國風電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從“技術(shù)引進”到“技術(shù)引領(lǐng)”的跨越奠定堅實基礎(chǔ)。

瞄準行業(yè)共性問題 攻克風電核心技術(shù)難題

我國的風力發(fā)電始于20世紀50年代后期，初期主要是為了解決海島和偏遠農(nóng)村牧區(qū)的用電問題，重點在于離網(wǎng)小型風電機組的建設(shè)。上世紀70年代末，我國開始進行并網(wǎng)風電的示范研究，并引進國外風電機組建設(shè)示范風電場，1986年，我國第一座風電場——馬蘭風力發(fā)電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，成為了我國風電史上的里程碑。

“大概在2002年左右，我國開始大規(guī)模發(fā)展風電，但當時的功率比較小，大部分是定速、定槳的設(shè)備，設(shè)備以進口為主，更重要的是，國內(nèi)風電設(shè)備制造企業(yè)并不掌握核心技術(shù)。”聯(lián)合動力副總經(jīng)理、實驗室常務副主任馮健告訴科技日報記者。

進口設(shè)備價格昂貴、核心技術(shù)缺失制約企業(yè)發(fā)展及后續(xù)服務……這些因素使得國電聯(lián)合動力成立之初就瞄準風電設(shè)備核心技術(shù)的消化吸收進而自主研發(fā)。這也是此后依托聯(lián)合動力成立風電設(shè)備及控制國家重點實驗室的初衷。

“風電機組制造技術(shù)涉及力學、機械制造、電力電子、電力系統(tǒng)、自動控制、材料等多個專業(yè)學科，依托聯(lián)合動力，重點實驗室在風電機組整體設(shè)計、風輪葉片氣動性能和新材料應用研究、風電機組控制系統(tǒng)及并網(wǎng)技術(shù)、機組降載優(yōu)化等方面做了大量基礎(chǔ)研究，使我國風電機組制造技術(shù)由過去主要靠引進發(fā)展到引領(lǐng)，并掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)。” 褚景春說。

基礎(chǔ)研究支撐風機設(shè)備全產(chǎn)業(yè)鏈

“風電機組控制的一大挑戰(zhàn)在于風作為一次能源的存在形式具有不穩(wěn)定特性，風向、風速都處于多變狀態(tài)，風電機組控制系統(tǒng)設(shè)計時要考慮對這種不穩(wěn)定性的適應能力，比如在山地風場就會經(jīng)常出現(xiàn)因風速和風向的急劇變化導致風電機組超速故障或頻繁對風偏航，既影響機組安全運行又影響發(fā)電量。另一方面，風電機組作為一個巨大的旋轉(zhuǎn)設(shè)備受到動態(tài)載荷的影響非常復雜，為了克服沖擊和疲勞載荷，風電機組本體各部件、塔筒和基礎(chǔ)要有足夠的強度，如何實現(xiàn)載荷的精準把握，在成本和安全之間尋求最佳平衡點，也是一個重要課題。”馮健說，在這方面，重點實驗室應用仿真和測試技術(shù)，不斷探索，最終尋求出解決方案。

以2兆瓦115機型為例，他們通過自主研發(fā)的降載技術(shù)，使得風機的支撐結(jié)構(gòu)塔筒的重量比初步設(shè)計減少了30噸。這意味著業(yè)主對每臺機組的投資成本降低約30萬元，以一個5萬千瓦的風場為例，其建設(shè)成本則可減少800多萬元。

隨著風電機組單機容量的不斷增加和低風速市場的開拓，風電機組的葉片越來越長、越重，相應的是，運輸及安裝都面臨更高難度。因而，一方面要研究高效翼型，提高風能轉(zhuǎn)化為機械能的效率;同時在葉片結(jié)構(gòu)和材料方面要有突破，比如分段葉片的設(shè)計、碳纖維材料的應用等就成為一個重點。在這方面，該實驗室聯(lián)合中科院相關(guān)科研單位，共同承擔了科技部863項目，開展了高效翼型的研究，通過建立高雷諾數(shù)風力機專用翼型氣動數(shù)據(jù)庫，并對原有氣動力數(shù)據(jù)進行修正，完成大尺度葉片氣動外形設(shè)計與優(yōu)化，提高葉片的強度與剛度，降低葉片的重量，并且提出了葉片分段分離面的連接創(chuàng)新方案，所設(shè)計的葉輪最大氣動功率系數(shù)達到0.506，整機最大風能利用系數(shù)達到0.48以上，均達到國際領(lǐng)先水平。首次在國內(nèi)第一臺自主研發(fā)的6MW機型上使用碳纖維來制造超大型葉片，此前的葉片材料主要是玻璃纖維。

實驗室還針對高海拔、寒冷地區(qū)等特殊氣候條件的風電機組設(shè)計進行了專門研究。“我們研發(fā)的葉片防冰凍技術(shù)已經(jīng)在貴州、山東等地應用，一個冬天的測試證明效果很好。”馮健說。

尤其值得一提的是，該實驗室承擔了科技部863項目——“超大型超導式海上風電機組設(shè)計技術(shù)研究”，是國內(nèi)首次涉及10MW級以上風電機組設(shè)計的項目，屬于科技部“十二五”期間重點科技項目?？紤]目標機組12MW超大容量的特點，項目采用了超導式直驅(qū)發(fā)電機的技術(shù)路線，發(fā)電機的設(shè)計效率達到96%，重量比同容量永磁同步發(fā)電機減重30%以上。同時，考慮該機組兼具“超大容量”及“海上風電”的特點，課題還完成了海上風電機組高可靠性設(shè)計，目標為實現(xiàn)年度計劃維護一次，最大程度減少機組的非計劃停機。在主控系統(tǒng)設(shè)計中采用了基于支持向量機技術(shù)的陣風判斷和先進監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計等一系列創(chuàng)新性的新技術(shù)。這些成果將顯著提升我國風電機組設(shè)計水平，使我國風電機組設(shè)計的創(chuàng)新能力和國際競爭力躍上一個新臺階。

打造數(shù)字化風電場助設(shè)備制造商轉(zhuǎn)型

在風機產(chǎn)能總體過剩，行業(yè)洗牌接近尾聲的情況下，風電服務市場已經(jīng)成為各方逐鹿風電產(chǎn)業(yè)的“第二戰(zhàn)場”。而決定輸贏的關(guān)鍵也從能否提供更便宜的價格變?yōu)槟芊駬碛行阅?、質(zhì)量和服務的綜合實力。

在國電聯(lián)合動力北京本部的運行技術(shù)中心，偌大的“云平臺”顯示屏上，分布在世界各地的國電聯(lián)合動力機組運行情況一覽無余。技術(shù)人員介紹說，一旦有設(shè)備出現(xiàn)問題，通過“專家在線會診—現(xiàn)場服務人員介入”模式，國電聯(lián)合動力后臺技術(shù)專家與現(xiàn)場服務人員實現(xiàn)無縫對接，提升了現(xiàn)場問題分析判斷和處理的快速響應能力。

“以前風場出故障了，工作人員需要去現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)問題，而在數(shù)字化風電場，我們遠程就能看到。隨著實時狀態(tài)診斷模塊的不斷開發(fā)完善，我們可以對風電機組各部件的亞健康狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)，在風小的時候集中處理，最大程度上減少發(fā)電損失。”馮健說。

有數(shù)據(jù)顯示，目前全國每年需要風機1800萬千瓦，產(chǎn)能過剩約在40%左右，在這種情況下，未來風電整機制造業(yè)在競爭中利潤不斷降低，風電制造企業(yè)一方面要靠科技創(chuàng)新突破來根本上提高利潤空間，而服務市場的拓展將成為企業(yè)持續(xù)盈利的關(guān)鍵。

“你看我們實驗室名字里有一個關(guān)鍵詞是‘控制’，這也是今后我們研究的重點方向之一，怎樣讓風力發(fā)電更智能、讓風電場整體實現(xiàn)數(shù)字化運行的管控模式。”馮健表示。

■一線對話

離產(chǎn)業(yè)近一些，再近一些

記者：依托企業(yè)建設(shè)的國家重點實驗室的共性是與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，請問您在這方面有哪些體會?

褚景春：我在高校工作過，對這方面感觸很深?，F(xiàn)在的高校和科研院所也越來越注重與產(chǎn)業(yè)需求的結(jié)合，但不可否認，企業(yè)畢竟在一線，我們實驗室的課題全部來自于行業(yè)和企業(yè)在發(fā)展中遇到的難題。國電集團是全球最大的風電開發(fā)和運營商，聯(lián)合動力作為旗下的風電制造企業(yè)，能夠及時深入了解和提煉風電產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)的需求，能迅速嘗試技術(shù)研發(fā)中的一些新創(chuàng)意。而這些新創(chuàng)意的實際效果怎么樣，會遇到什么問題，也會很快反饋到實驗室進行研究。

我認為設(shè)立在企業(yè)中的國家重點實驗室確實為行業(yè)、企業(yè)的核心技術(shù)研發(fā)提供了重要的平臺和支撐。

記者：作為主任，您堅持什么樣的實驗室建設(shè)理念?

褚景春：我們的實驗室建設(shè)以風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導向，緊密關(guān)注基礎(chǔ)學科領(lǐng)域的最新研究成果，深入開展應用技術(shù)研究。在建設(shè)過程中堅持三個理念：

一是堅持核心技術(shù)自主創(chuàng)新理念。加強創(chuàng)新文化建設(shè)，激勵研發(fā)人員的創(chuàng)新創(chuàng)造意識，并從科研經(jīng)費、實驗條件、對外交流、團隊建設(shè)等方面給予充分支持;

二是堅持“產(chǎn)學研”協(xié)同創(chuàng)新理念。加強與國內(nèi)外科研單位、高等學校、產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)合作，共同開展基礎(chǔ)理論研究，解決技術(shù)難題;

三是堅持以技術(shù)為支撐的平臺發(fā)展理念。把重點實驗室建設(shè)成為我國風電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心、服務中心、信息中心和人才培育中心。

記者：請您介紹一下實驗室未來一段時間的規(guī)劃。

褚景春：李克強總理在調(diào)研聯(lián)合動力時說：“聯(lián)合動力，代表著清潔動力和其他動力的混合，提供的是綠色和可再生能源，這是未來發(fā)展方向。要聯(lián)合國內(nèi)和國際，形成綠色發(fā)展的聯(lián)合動力。”按照總理的指示，我們的實驗室將緊密圍繞風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，打造出一流的團隊、研究出一流的成果、開發(fā)出一流的產(chǎn)品。

在團隊建設(shè)方面，我們立足于“用好現(xiàn)有人才、引進急需人才、培育未來人才”的思路，采用“請進來、走出去”的形式，對現(xiàn)有研發(fā)人員實現(xiàn)綜合培養(yǎng)，增強現(xiàn)有人才的理論水平和專業(yè)素養(yǎng)，為研發(fā)人員提供自我發(fā)展和科技創(chuàng)新的機遇與條件。

在技術(shù)研發(fā)方面，針對低風速、高海拔、防冰凍等特定自然環(huán)境展開關(guān)鍵技術(shù)問題攻關(guān)，針對分布式能源發(fā)展需求展開分散式并網(wǎng)技術(shù)研究，針對于度電成本最優(yōu)尋求技術(shù)創(chuàng)新突破，基于能源互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0理念開展先進制造服務的技術(shù)研究。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，緊密跟蹤市場需求和技術(shù)進步，加快開展大兆瓦風電機組的研發(fā)及制造進度，打造高可靠性的陸上、海上風電機組，開發(fā)全新的風電機組控制系統(tǒng)以實現(xiàn)風電場數(shù)字化運營。

記者：您對企業(yè)國家重點實驗室的建設(shè)有什么建議?

褚景春：我們希望國家在科技項目立項和高端人才引進方面給予企業(yè)承建的國家重點實驗室大力支持。