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国际能源网讯：近日，《中国风电发展路线图2050》(以下简称《路线图》)发布，国际能源网就《路线图》中的论述整理编辑了中国风电发展的相关内容，今天请看第一辑——中国风电设备研制。
《路线图》中提到，中国风电设备制造业在“十一五”期间取得了快速发展，今后需要适应中国风电开发需求和特点，不断提升大型先进风电机组的研制能力，完善风电设备供应链，并确保风电机组设备的质量和可靠性。
1风电机组
(1)风电机组的市场需求
目前，中国风电进入规模化发展阶段，陆地风电开发稳步发展，海上风电逐步加速，2020 年后先期建设的风电机组开始退役，使风电机组的市场需求规模逐步增加。
预计2010-2015 年，中国年均风电装机1500 万千瓦，其中陆上风电约1400 万千瓦/ 年，海上风电约100 万千瓦/ 年。2015-2020 年，海上风电进入规模化开发阶段，风电机组设备制造商需要达到1800 万千瓦的年供应能力，陆上风电机组300 万千瓦/ 年，海上风电机组500 万千瓦/ 年，同时，该时期有每年约50 万千瓦的风电机组需要退役或接受技术改造。
2020-2030年，需要年均2400 万千瓦的风电机组的生产和供应能力，其中陆上风电机组1900 万千瓦/ 年，海上风电机组500万千瓦/ 年，同期有总计3900 万千瓦的风电机组需要退役或接受技术改造。
2030-2050 年，需要年均5000 万千瓦的风电机组生产和供应能力，其中陆上风电机组4400 万千瓦，海上风电机组600万千瓦，同期有总计4 亿千瓦的风电机组需要退役或接受技术改造。
随着风电技术和海上风电的发展，风电机组的整体趋势是单机容量的大型化和多样化。2011-2015 年，3 兆瓦以下风电机组是市场的主流机组，目前该功率范围风电机组市场已具备大批量的供应能力，能够满足每年1500-2000万千瓦新增装机的风电需求，3-5 兆瓦风电机组主要用于海上风电和部分陆上风电基地建设，需达到年产800 万千瓦。
2015-2020 年，5 兆瓦以上风电机组开始在海上风电项目中应用，需要保证年均100-130 万千瓦的供应能力。2020-2030，中国进入海上风电大规模开发阶段，5-10 兆瓦机组主要用于满足该部分市场需求，需年产2200 万千瓦。
2030-2050 年，由于3 兆瓦级以下风电机组开始批量退役，届时对于风电机组的需求将会迎来新的高峰，3-5 兆瓦逐渐取代3 兆瓦以下风电机组成为市场主流的风电机组，年供应能力要求达到3000-5000 万千瓦的年供应能力，5-10 兆瓦机组需达到500-1000 万千瓦的年供应能力，深海风电开发应用要求10 兆瓦以上风电机组达到100-200 万千瓦的年供应能力。
(2)风电机组的研制
2010 年，中国已有接近10 家企业批量化生产2.5-3.6 兆瓦先进风电机组，5 兆瓦左右海上风电机组样机已经下线。部分企业和科研机构已启动10 兆瓦风电机组的研发计划，预计在2020 年后进行样机的开发。
今后应顺应风电机组单机容量大型化趋势，加强基础研究，逐步掌握大型风电机组的设计理念，科学的研究方法，开发适用于中国特点的大型先进风电机组。
从不同功率风电机组的研发方面考虑，2015 年前，开发应用3 兆瓦以下风电机组轻量化和环境适应性技术，优化3-5 兆瓦风电机组设计，开展5-10 兆瓦海上风电机组进行概念设计和关键技术研究;2020 年前，实现5MW 风电机组的商业化运行，完成5-10 兆瓦海上风电机组样机验证，并对10 兆瓦以上特大型海上风电机组完成概念设计和关键技术研究。2020-2030 年，实现5-10 兆瓦海上风电机组的商业化应用，完成特大型海上风电机组(10 兆瓦以上)的样机技术验证。
如何使整机系统更好满足并网的需求是一个亟待解决的重要课题。2015 年前，加强并网型风电机组的基础性研究，优化风电机组特别是双馈型机组的并网能力改造方案，进一步提高故障穿越能力及对电网的无功支持能力;2015-2020年，开发和推广新型风电机组控制系统和电网友好型风电机组。2020-2030 年，电网友好型风电机组技术趋于成熟，并逐步得到全面普及。
未来中国海上风电设备技术的发展应从风电设备的可靠性、经济性、环境适应性、运输的便利性以及安装维护的便利性等更多方面综合考虑其中，特别对风电机组抗台风问题提出了很高的要求，为此，要重点研究海上风电机组抗台风策略和采取的措施。
2关键零部件
随着风电机组容量不断增加，应根据风电机组研制需求，大力加强叶片技术、传动链技术、控制系统技术和大容量变流器技术的研发和产品研制。在零部件供应链上，着力做好如下工作：
一是调整零部件生产企业的投资结构，加大对紧缺如主轴轴承、变流器等关键零部件的投入，逐步提升零部件的自给能力;
二是建立零部件生产与风电系统技术进步的衔接机制，提高零部件企业自身适应研发技术更新的能力;
三是加强零部件生产过程的质量控制，构建合格的零部件供应体系。
(1)风轮叶片
随着风电机组尺寸的增大，叶片将越来越长。在确保叶片大型化的同时，如何优化载荷、减轻重量、提升环境适应性、友好性和运输便利性将成为未来10 年内叶片技术发展的主要方向。
为此，应大力研发、应用风机叶片的监测控制技术、新型结构、碳纤维和高模高强玻璃纤维等新型材料。随着海上风电的发展，可以考虑采用更高叶尖线速度(至120 米/ 秒)的叶片，开展相关的翼型设计研究和试验验证。
值得注意的是，叶片退役后对环境造成的影响可能越来越大，采用可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新材料、新工艺很可能成为风电叶片技术的发展方向之一。
(2)齿轮箱
目前中国齿轮箱的结构基本采用国外技术，对功率分流方式、均载型式等关键技术缺乏深入研究和成熟经验。因此，未来10 年需加强以上方面的研究，争取在降低增速比、行星轮均载柔性轴设计和降低噪声方面实现技术突破。采用轴承新结构、新材料、新工艺，以解决轴承寿命、承载能力、可靠性等问题。
(3)发电机
风电机组发电机技术的主要方向是改善并网性能、降低重量。风电机组发电机采用异步发电机或同步发电机。经过逆变器并网变速运行的发电机，其对电网的支持优于直接并网的异步发电机。随着全功率变换技术的进步和成本的下降，更广泛地应用通过全功率逆变器并网的发电机，例如永磁或电励磁同步电机。
随着超导材料在技术和成本方面取得突破，未来中国可能在10 兆瓦及以上的风电机组发电机中应用高温超导技术。中高压发电机应用也是未来一个技术方向，从目前的趋势看，3-5 兆瓦风电机组将采用中压发电机、而更高兆瓦级的风电机组将普遍采用高压发电机。
(4)变流器
风电机组容量的增长要求变流器的功率密度不断增加，同时各种风场环境也要求系统有很高的可靠性和方便的维护性，需要采用功率等级更高的半导体器件和模块。此外，随着直驱风电机组的大型、超大型化，需要考虑发电机和变流器的统一优化设计，进一步提高电传动系统的功率密度和效率。
(5)塔架
目前塔架高度普遍为60 米至80 米，未来大型风电机组的塔架高度将有可能继续增长，从而增加发电量收益。塔架在进一步加高的过程中，需要重新进行更为缜密的载荷计算同时考虑其他可行的解决方案，如国外已有企业提出的混凝土下层结构与钢制锥管状塔架相结合的形式。
此外，随着海上风电开发的进行，位于潮间带及近海风电场的机组塔架的防腐性能将会受到更大的考验。需针对未来海上风电建设方向和条件，完善风电塔架和基础防腐技术方案，延长使用寿命，达到20 年以上的设计要求。
3关键原材料
风电机组生产所需的原材料包括钢、铝、铜、混凝土、玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂、永磁材料等。相关研究和数据显示，钢材用量约占机组总重量的90%，碳纤维复合材料代表了未来叶片材料的主要发展方向，永磁材料需求将随着直驱风电机组市场规模的的扩大而快速增加，这三类材料的供应应得到更多关注。其他如铜、铝、玻璃纤维等材料的占比和重要性较小，不会影响风电产业的发展。
(1)钢材
2009 年中国新增装机容量达1380万千瓦， 以126.67 吨/ 兆瓦的单位用钢量测算，当年风电产业钢材用量约为175 万吨，仅占中国粗钢产量的0.38%。假定中国风电机组的单位用钢量为126.67 吨/ 兆瓦且保持不变，粗略推算，未来中国风电机组所用钢材需求量为：2020 年239.4 万吨、2030 年304 万吨、2050 年627 万吨。可以判断，未来很长一段时期，中国的钢材产量能够支撑风电产业的发展。
(2)碳纤维材料
随着风电机组叶片的大型化和轻质化，未来中国在风电叶片的生产中将更多使用碳纤维。以一台叶片长度为50米的4 兆瓦风电机组为例，若采用碳纤维增强环氧树脂制造叶片，3 片叶片重量之和接近48 吨，据估算，碳纤维的用量约为4.8 吨，则每兆瓦所需碳纤维为1.2 吨。
假定2020 年、2030 年、2050 年应用碳纤维的风电机组市场份额分别为22.16%、35.45%、61.7%，届时中国风电叶片制造业的碳纤维需求量将分别为0.53 万吨、1.02 万吨、3.67 万吨。
中国碳纤维的总体水平远落后于发达国家，不能完全满足风电叶片技术要求和国内市场长期需求。因此，要根据各阶段风电叶片技术及产业的发展需求，着力加大研发力度，加快碳纤维的生产供应能力。
(3)稀土永磁材料
据测算，每兆瓦风电机组的钕铁硼永磁材料用量约在0.75-0.8 吨。以直驱永磁风电机组为例，2009 年中国新增直驱永磁风电机组约为240 万千瓦，则对钕铁硼永磁材料的需求约为1920吨，仅占当年中国钕铁硼永磁材料产量94000 吨的2%。
预计直驱永磁风电机组占比将不断提升，假定2020 年、2030 年、2050 年使用永磁材料的新增装机占新增总装机容量的比例分别为45%、50%、60%，则届时新增永磁风电装机容量分别为850.5 万千瓦、1200 万千瓦、2970万千瓦。
假定钕铁硼永磁材料单位用量为0.8 吨/ 兆瓦且保持不变，稀土永磁材料用量分别为0.68 万吨、0.96 万吨、2.38 万吨。以目前中国已探明的稀土资源储量(约9030 万吨)和产量增长趋势来判断，保证未来风电产业所需的永磁材料供应应该不成问题，但成本可能会持续上涨。
