摘要：人类的生产生活都离不开能源，它是经济发展重要的物质基础。当前，化石能源短缺问题日益严峻，温室效应问题亟需解决，而新型清洁能源的发展可以有力地改善这一问题。海上风力发电以其可再生、资源丰富、清洁环保等优点成为重点发展的清洁能源之一。对海上风电机组来说，叶片是它的“灵魂”，叶片的好坏能够对风电机组的性能产生重大影响。课题组将从叶片的制造和运维等方面展开论述，并分析叶片未来的发展趋势。
关键词：化石能源；清洁能源；海上风力发电；叶片
1研究背景
现今，人类社会发展正面临着全球变暖、自然环境恶化、化石能源日益枯竭等诸多难题，二氧化碳等温室气体的不断排放让地球不断吸收净能量，使得地表温度不断上升。目前，地球上涨的地表温度已经接近1.5℃。在过去的40年中，极端天气事件暴发愈发频繁，这也可能加快地球生态系统的恶化甚至崩溃。人类社会的可持续发展，需要努力降低碳排放，力争早日实现碳的“零排放”甚至“负排放”[1]。为此，大力发展清洁能源是形势所迫、大势所趋。党的第十九次全国代表大会报告提出，要推进绿色发展，壮大清洁能源产业，打造清洁低碳环保、安全高效的能源体系[2]。在2020年的第75届联合国大会与气候雄心峰会中，主席表示，到2030年时，各种一次能源的消费占比中，非化石能源要占到四分之一，风电和光电总的装机容量至少要达到1200吉瓦时，CO2的排放要努力在2030年之前到达最高点，力争在2060年之前完成碳中和的最终目标。这些计划都表明我国未来可再生清洁能源的发展方向清晰明了，发展态势刻不容缓。当前的国际形势下，俄乌冲突爆发，北约各国纷纷宣布对其进行制裁，其中，德国宣布暂停签约俄罗斯的北溪2号项目。作为全球最大的能源出口国，俄罗斯的能源出口受阻将引发国际能源局势的剧烈震荡。截至北京时间2022年2月24日，美国洲际交易所（IntercontinentalExchange）布伦特原油期货持续上涨，盘中一度超过了每桶100美元的大关，达到了最近八年的历史新高。不难预见到在未来一段时间内，油价与电价的上涨将会呈现出不可阻挡的态势。当下，我国的能源架构依旧以化石能源为主，占比达85%。在化石能源消费中，煤炭资源占据了大部分的市场，占比超过50%。我国的资源储量中，“缺油少气”是无法避免的天然缺点，石油和天然气在2020年我国各类一次能源产量的占比仅分别为6.8%和6%。即便如此，在全球经济一体化的现在，国际油价气价的大幅增长也会抬高国内的一次能源价格，使得其相对于可再生能源发电的价格优势逐渐降低。就国内的能源分布状况来看，其供应与需求的关系恰好相反，不论是传统的不可再生化石能源还是新型的可再生清洁能源，大多都集中在西部和北部，而在东部和南部等经济发达、能源消费需求高的地区，储量却相对较低。这也彰显出了拥有巨大风力资源的海上风力发电在我国能源业中的优势地位，海上风电靠近东部和南部的沿海经济发达地区，在就地消纳的同时[3]，还可以逐步形成海上风力发电相关的上下游产业链，进而成为一些沿海城市新的经济支柱，为当地提供更多的就业岗位，为其经济的可持续发展提供新的选择，并减少碳排放，助力当地的生态环境保护。此外，海上风电还可以降低输电成本和线路损耗，再加上海上的风力资源颇为丰富，风电机组运行的效率较高，不会占用日益匮乏的土地资源且适合大规模的开发等优点。未来，海上风力发电注定会在我国绿色能源体系架构的发展中，扮演愈发重要的角色。目前，海上风力发电总体成本过高的问题亟需解决，它的功率和设备体积都比较大，还配有基座和电缆等相关的配套设施，导致设备成本很高；每台风电机组都配有一部发电机、设备安装在海上，设备的运输和安装难度远高于传统的不可再生能源发电，这也使得运输与安装成本较为高昂；加之国内目前对海上风电机组的安装船、海底电缆等相关领域的研发还不够深入，也从另一方面提高了发电成本；而且，风电机组在海上运行，其运行和维护的成本都很高。2021年之前并网发电的近海风电的电价为0.75元/千瓦时，远海风电技术尚且刚刚起步，并网发电后的上网电价只高不低，而如表1所示，2020年国内燃煤发电的上网电价最高的省份是广东省，约为0.453元/千瓦时，最低的宁夏回族自治区仅为0.2595元/千瓦时左右。巨大的电价差距阻遏了海上风电的发展，若不降低发电成本，海上风电将很难与传统化石能源发电在电价方面进行竞争[4]。
2海上风电叶片的发展趋势
完整的海上风电机组由叶片、风机、塔身与基座四部分组成，而叶片和轮毂又组成了风轮，从而将风能转换成为机械能。对风电机组而言，保障叶片质量才能保障其可靠性与发电量。此外，平抑电价的政策促使风电企业需要从各个环节来降低生产成本，而叶片的改良有助于实现这一目标，叶片越长，叶轮面积也就越大，在相同的运行时间内，发电量也就更高。发电效率提升的同时，还能够降低塔架设施成本，从而有助于降低发电成本[5]。当前，国内的风电叶片产业已然发起了针对叶片长度的攻坚，在2008年，并网发电的风电机组的风轮直径约为65m，而到了2018年，这一数据国外达到了120m，近乎增长了一倍。到了2021年，我国第一款长度超百米的风电叶片在江苏盐城诞生，这标志着我国风电行业正式迈入了百米长叶片的时代。而这个长度远不是叶片发展的终点，世界五百强的丹麦风电设备巨头维斯塔斯宣布未来会制造功率达15MW，叶片长度超115m的海上风电机组；位于我国广东的明阳智能也宣称其正在对功率达16MW，叶片长度约118m的海上风电机组进行技术攻坚。降低重量、提升强度、降低成本是风电叶片未来的发展趋势[6]。伴随着叶片长度的逐渐变长，叶片的重量也会不断增加，这对海上风电安装船的运输能力提出了新的挑战，尤其是风电的未来在于远海的情况下，不增大安装船承载重量上限的话，即便更长的叶片成功下线，也无法安装成功，并网发电。但是，质量不止由体积决定，制造材料的密度也同样关键，当前的风机叶片基本都依赖于玻璃纤维增强塑料，为降低叶片重量，有的风电厂商已经开始使用密度更低的碳纤维来代替玻璃纤维，这也将是未来风电叶片的主流材料。此外，运行与维护也是风电机组的又一焦点问题。对海上风电来说，一方面，设备在高盐度和高湿度的外界环境中持续运行，使用碳纤维有助于增强叶片的耐腐蚀性能。而且，夏季时台风高发，加上平时也有雷雨天气等其他的恶劣天气，使得海上风电机组对可靠性的要求比其他发电设备更高，而相对于玻璃纤维，强度和刚度更高的碳纤维能更好地确保这一点，一举多得[7]。而叶片的受损主要分为环境影响和人为损伤两种情形。雷雨冰雹等恶劣天气会损伤叶片，长此以往，受损程度将不断增大。为此，当前的风电厂商考虑金属网和接闪器等两种结构进行雷电保护[8]。另一方面，为确保叶片性能，一个风电机组的三只叶片必须在24小时内安装完成[9]，在追求施工速度的同时也增大了叶片在装船、运输与起吊等安装环节中磕碰受损的可能性，且施工船在接近机组进行施工作业的时候也容易碰撞并损伤叶片。为此，在提升叶片强度的同时，也应该加强施工人员的职业培训，重视施工船的技术升级，建立完善的管理系统[10]。为及早发现故障，应逐步使用无人机技术取代传统的人工巡检，并在叶片上安装自检系统，双管齐下进行实时监测，确保及时发现隐患，及早排除故障，从而将损失降到最低[11]。
3结语
目前，清洁、廉价、可靠的能源始终困扰着全球能源业，海上风电的未来，要力争同时实现这三点，叶片的发展要专注长度、质量、叶形、刚度、强度等方面因素，在运行过程中也要注意防雷防结冰等各类保护，并建立完善的监测系统和安装运维体系，帮助海上风电早日取代传统化石能源成为能源领域的主力军，进而帮助人类社会早日实现碳中和甚至碳的“净负排放”。
作者：徐一波 鄢敉君 李林 单位：江西师范高等专科学校