风电技术成熟度、成本及需求前景分析

风力发电技术历史悠久，是最常见的清洁能源之一。

1.风电技术成熟度高

风电技术发展至今 已逾百年，最早的风力发电机诞生于 1887 年，早期风机叶片数量多， 但转速慢、效率低、功率小。1891 年，丹麦物理学家 Poul La Cour 建 成了首台具有现代意义的风力发电机，叶片仅 4 枚，额定功率 25kW。由 于第一次工业革命蒸汽机的发明和煤炭价格的不断降低，火力发电成为 主流，随后第二次工业革命促使大电网工程迅猛发展，而风力发电在当 时的经济性很差，而且工作性能不稳定，因此长期受到工业界冷遇，致 使风电技术发展缓慢，新增风电机组数量急剧减少。直到 20 世纪上半 叶，风力发电技术开始被应用于美国和一些欧洲国家的偏远地区供电， 单台风电机组的额定容量仅为 2 至 3kW。近四十年以来，风力发电不断 向大型化设备方向发展，目前已成为一个相对成熟的产业。

风力发电技术属于多学科交叉应用，现有基础理论与结构设计方案成熟。 风力发电的原理是利用风推动风机叶片旋转，通过转轴等连接传动装置， 带动发电机运转，其线圈切割磁感线产生电动势，即“空气动能→风机 叶片机械能→电能”的过程。风力发电技术的基础学科是空气动力学， 核心理论包括贝茨理论、叶素-动量理论。总体而言，风电机组的设计 和制造属于系统工程，涉及多个学科，包括结构力学、理论力学、流体 力学 、空气动力学、电磁学、机械设计、材料力学、工艺工装、自动 控制等。根据风机的几何结构特点、工作控制和组合方式的不同，可将 风力发电机分为多种类别。目前，大中型风电场主要使用的风力发电机 组大多是水平轴、升力型、上风向、变桨距、变速恒频的风机。

主流的风力发电机组包括双馈式和直驱式，各有优缺点。风力发电机组 一般是由风轮系统、机舱、塔筒、传动系统、偏航系统、液压系统、刹 车制动系统、发电机、控制与安全系统等部分组成。大规模并网的风力 发电机主要有两种典型结构，一种是双馈式，另一种是直驱式，二者最 显著的区别在于双馈式风力发电机需要增速齿轮箱，而直驱式风力发电 机没有齿轮箱。双馈式风机的叶片转矩通过齿轮增速箱驱动双馈异步发 电机，定子、转子都能与电网功率交互，材料成本较低，变流器仅需 30% 功率覆盖，但控制技术要求高，且设备损耗较大。直驱式风机的叶片转矩直接传递到发电机传动轴，结构简单，故障率小，机械损耗小，发电 效率高，但由于电机内置了多极永磁体（补偿风机的低转速），导致机 舱体积大，材料成本高，需要全功率覆盖变流器，现多用于大型机组。

双馈式风电机组是目前主流，其最大优势是低成本。齿轮箱是双馈式风 电机组故障率最高的部件之一，且成本占比高达 15%。直驱式风电机组 的传动链虽然省去了齿轮箱，但永磁发电机和全功率变流器的总价比齿 轮箱更昂贵。此外，由于直驱式风电机组容易出现时空谐波效应，引起 永磁体涡流损耗并伴随升温，严重时可能超过永磁体的铁磁相变温度， 导致退磁失效，因此技术难度较大。相比之下，双馈式风电机组使用双 馈式异步电机，技术成熟，价格便宜且体积小。同时，定子上仅有差速 功率通过变频器与电网交互，因此只需配置机组额定功率 1/4-1/3 容量 的小功率变流器，其价格远低于全功率变流器，而且谐波干扰很小。目 前，双馈式风力发电机组仍是行业主流方案，而直驱式、半直驱式风力 发电机组也在逐步发展。

2.风电成本不断降低

全球风力发电成本不断降低。根据国际可再生能源署(IRENA)的数据统 计，2010 年至 2021 年，全球陆上风电的加权平均度电成本下降了 68%， 陆上风电项目的加权平均总安装成本降幅达 35%；全球海上风电的加权 平均度电成本降幅达 60%，海上风电项目加权平均总安装成本下降了 41%。 风力发电成本快速下降的主要动因是风电机组价格和项目配套设施成 本的降低，具体的影响因素包括行业规模增长、单个项目平均容量增加、 风电技术进步（尤其是风机容量因数提高）、供应链成熟化、资本成本 下降等。

我国近十年来风电产业发展迅猛。2021 年，我国陆上风电度电成本较 2010 年下降 40%以上，海上风电度电成本下降 50%以上。我国的风电产 业经过最近十多年的高速发展，不仅在技术上实现了质的飞跃，在装机 规模上更是稳居全球第一。2021 年，我国风电新增并网装机 4757 万千 瓦，累计并网装机容量达到 3.28 亿千瓦。据国家能源局的数据统计， 2021 年中国风电发电量达到 6526 亿千瓦时，同比增长 40.5%，占全社 会用电量 7.9%，成为中国第三大电力供应来源。在风电技术进步和规模 效应的共同作用下，中国风力发电度电成本大幅下降，2021 年陆上风电 度电成本较 2010 年下降 40%以上，海上风电度电成本下降 50%以上。同 时，全国各地的弃风问题也逐步得到改善，进一步提高了利用率。

3.风电需求前景广阔

风电产业是实现“双碳”目标的重要抓手。2020 年，我国在第 75 届联 合国大会上提出了“2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和”的目标。 风电产业的二氧化碳排放主要集中在前端风机设备制造环节，全生命周 期内的碳排放强度约为12-14g/kWh。以一台1.5MW的陆上风电机组为例， 年均工作时间 2100h，平均服役时间 20 年，则累计发电量约为 63GWh， 累计碳排放量为 756 吨。若以煤电为基准，则 1kWh 发电量大约产生 1kg 的二氧化碳排放量，因此该台风电机组全生命周期内可减少碳排放约 6.2 万吨。

可见，风力发电技术对传统化石能源发电的替代，能够大大 降低碳排放，是实现“双碳”目标的重要途径，故而受到国家重视。2022 年 4 月 2 日，国家能源局、科学技术部印发的《“十四五”能源领域科 技创新规划》指出，要构建现代能源体系，推进能源革命，建设清洁低 碳、安全高效的能源体系，为此要加快发展非化石能源，坚持集中式和 分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能 源，有序发展海上风电。《规划》强调了深远海域海上风电开发及超大 型海上风机技术、退役风电机组回收与再利用技术、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共 4 类风电先进技术。

清洁能源大基地项目助力风电发展。由于风能的间歇性以及资源分布的 高度不均衡，可通过建设大规模风力发电场提升其利用效率，并且便于 管理调度，同时也有利于规模化降本。2021 年，《“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要》正式发布，文中明确提出了建设“九大清洁能源基地” 和“五大海上风电基地”。前者包括雅鲁藏布江下游、金沙江上下游、 雅砻江流域、黄河上游和几字湾、河西走廊、新疆、冀北、松辽共 9 个 清洁能源基地；后者包括广东、福建、浙江、江苏、山东共 5 个海上风 电基地。“九大清洁能源基地”和“五大海上风电基地”的建设规划均 包含风电场，该规划装机量有望成为“十四五”期间风电新增装机量的 重要贡献部分。