张启应：风电技术进化与环境可持续发展

编者按：2021年7月8日，以“碳中和与未来能源”为主题的“第三届未来能源大会”在北京召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，明阳智慧能源集团总裁兼首席技术官张启应发表了“风电技术进化与环境可持续发展”的主旨演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

张启应：非常高兴，也非常荣幸，有这么一个机会跟大家分享我们在环境的可持续发展以及风电技术发展的研究方面做的一些工作。其实我们今天谈的很多事情，讲碳中和，讲零碳等等。还是说人类未来以什么样的方式去发展，其实之前做了很多环境的可持续发展问题。

《2019年世界人口展望》给出这么一个未来的展望，2019年全球人口是77亿，到2030年会达到85亿人口，到2050年将达到97亿。当我们谈中国碳中和的时候，2060的时候，这个人口肯定会超过100亿。整个过程中我们面临的挑战是养活更多的人口，我们要提供生计，其中就要对气候变化和环境退化，以及对资源造成的严重影响进行预判，给出一个很好的对策。这是在联合国2030年可持续发展议程中所提出来的。这里面提出了三大核心问题：

第一个，有人的存在首先你要有粮食，你要有很好的生活条件，不仅仅是2020年的脱贫攻坚，我们还有小康状态。同时，另外一个是能源，由粮食和能源带来的环境是不是可以承载?

前面各位院士都给出了预判，基本上大家都清楚。2030年，我们全球电力需求预计36万亿千瓦时，较2018年增长约47%。2050年预计达到约61万亿千瓦时，较2018年增长150%。接下来怎么弄呢?刚才是能源。

环境问题有粮食问题、能源问题，最后我们的环境是不是能够可持续承载，二氧化碳问题太熟悉了，我就不细讲了，还有《巴黎协定》等等。

全球有九大表征点来表征气候变化的启动时机，现在比较危急的情况是，当时人们认为是5℃，但是现在为止，此时此刻，有一半表征点已经启动了，当这个表征点启动人的环境就不可逆了，包括格陵兰岛的冰盖和南极岛的冰盖等等，所以前面所说的碳中和是如此之必要，我们用一个国家战略来做这件事情，是一个全球的事情。我们讲到我们国家的“3060”，其实全球都提出了自己的目标，很多一般发达国家都是2050年就达到了，他们多少年前就已经碳达峰，有的更提前，到2045年，很多都是以立法的形式存在的。美国是2050年达到碳中和，其中，2035年实现电力行业的全面脱碳，2050年达到碳中和，3月29日，白宫网站发布，计划在东海岸大力发展海上风电，到2030年美国将部署30GW海上风电装机容量。也就是说，海上风电是他们达到碳中和有效的或者主要的手段之一。欧盟也是2050年达到碳中和，通过清洁能源、绿色交通、循环经济、建筑节能、数字工业等等。清洁能源是要建立以能源效率为核心的更加循环的能源系统，大力发展海上风电和氢能，这是他们的碳中和路径。

2019年哥本哈根海上风电会议上，欧洲风能协会发布一项研究报告，《我们的能源，我们的未来》，它的一个规划或者愿景是2050年整个欧洲要建成450GW海上风电，现在是20GW。这450GW做了非常详尽的分析，这个分析从资源到电网，到国家，到消费等等，其中在北海是212GW，波罗的海是83GW，大西洋85GW以及地中海70GW。

2050年风电要占到30%左右。具体来看，如果我们大批量使用风电，风电带来的具体效益是什么呢?这里举一个例子，比如2018年在福建三峡兴化湾风电厂，一台5.5兆瓦的海上风机，它的年等效满发小时数5226小时，年上网电量约2874万千瓦时，年节约标准煤约3533吨，温室气体减排是9185吨，再造森林相当于15307亩每年。

我们再设想一下，在粤港澳大湾区，如果说我们建六个这样的千万千瓦级海上风电场，年等效满发小时数4000小时的话，它的上网电量400亿千瓦时每年，按照“十四五”大湾区的规划，到2025年大湾区所有的用电量是7000亿度电，如果是六个的话，如果真能实现的话，20%-30%的占比，是完全现实的。

今天这个主题非常好，未来能源，最核心的是依托于未来的技术发展。我们这里讲到风电技术发展，其实整个技术发展也是有它的脉络和它的规律的，正所谓人的发展有进化论，物竞天择，适者生存。对技术的发展也有一套内在规律，其中美国的Brian Arthur写过一本书《技术的本质》，技术的本质发展驱动的因素有三个：第一个是需求;第二个是组合;第三个是迭代。他是这么描述的，犹如自然界的生物进化，通过不断的组合和迭代适应环境，形成新的技术和创新经济，驱动整个社会不断地发展。

在整个风机进化过程中，荷兰风车大家都比较了解，到90年，风机是借助于汽车行业很多的经验，研发出我们现代的一些风机，现在我们大力发展海上风电，海上风电对可靠性要求非常高，现在除了海上风电之外，数字技术的发展，海上风电对可靠性要求高的话我们可以找到相应的一些场景，比如它对航空器，也是类似的应用场景。所以说，现在的海上风电类似于航空器为本质的装备。大数据和智能时代要像类人一样思考。

海上风电进化的整个过程，其中有一个趋势很明显，从80年代到今天，我们的风机不断大型化，它的口号是更大、更便宜、更绿色。大到什么程度呢?1983年才十几千瓦的海上风电，风轮直径也就十几米，到现在全球最大的海上风电发布的是15兆瓦，风轮直径达到236米。我进入风电行业不久大家就问，这个风电到底能有多大，其实当时德国专家预测说，它这个是动态发展的过程，回答不了你这样的问题。基于我的历史预测，每十年风轮直径是要增加50米的，这个规律大概十几年过去了，将近二十年过去，完美契合了。到今天为止达到将近222米，我相信过了十年之后它会达到将近300米，单机容量现在也达到15兆瓦，我们也会很快发布类似于15兆瓦以上的风电平台。所以大型化将让它的成本不断降低。

我们在去年发布了11兆瓦203，它是全国最大的，也是全亚洲最大的海上风电机组。除了大型化，我们的一艘船装一支叶片，风机叶片越来越长越轻越好，发电量也得到越来越大的提升。

在风轮捕风系统净化过程，Brian Arthur讲到，技术净化过程其中一个方法就是组合，我们要把汽车行业、航空、军事各方面先进技术用在风电上面，F1赛车从1948年到2020年发生了很多变化，其中在空气动力学方面的一些进步我们都可以用在风机上面。右下角是最新的NASA机智号，这个机智号是在地球以外的星体上第一个飞起来的航空器。在火星它的空气密度是地球的1/100，它的气压是地球的1/150，在如此稀薄的空气下它居然能飞起来。这些在材料技术和空气动力学技术的发展都会被应用在我们的风电上，这是我们的飞机叶片，时间会越来越长，在气动方面，夜间，10度，翼型，我们都会得到越来越好地发展，我相信很快叶片会达到100米以上。

除了叶片长度发生变化以外，在风机变化过程中，它还是在不断发展的，早期大家很少看到，其实有单叶片风机，只有一支叶片，我们也有两叶片风机，现在更多看到的是三叶片风机，单叶片和双叶片也有它的优势。右边是多轮风机，最多有4个，这也是未来的一个可能趋势。

除了前面的这些结构进步，材料的发展对风力发展做出了非常大的贡献，这里以叶片材料为例子，叶片材料都用玻璃纤维，后来叫高膜量玻璃纤维，也就是十几年前，膜量从E6的40G帕，到现在我们用到E9的55G帕，我们后来用碳纤维，但碳纤维又太贵，我们把碳纤维和玻璃纤维进行混编，这样的话让我们的叶片越来越长，越来越轻，我们的发电量越来越多，从而有效降低度电成本。

前面讲了补风系统，风机是一个动力系统，现代风机是怎么发明的呢?完全符合Brian Arthur讲的那个规律，有点像可口可乐的发明，完全用船用齿轮箱加上船用的发电机，组合在一起，就成了一个现代风机。在这个过程中，一开始是高速传动，高速传动过程中发现齿轮箱容易坏。是不是可以把直驱优势和高速优势混合在一起，我们称为半直驱，这样一个方案有很多好处，第一是高可靠性，它的齿轮箱和航空器所用的齿轮箱从基因上是一样的，航空领域对可靠性要求非常高，同时，它的效率也非常高。技术可靠性，最重要的是基因的可靠性，技术本身的可靠性，所以传动量进化的越来越可靠。

除了传动量，不得不讲到智能控制，智能控制的进化过程，早期是简单的PI控制，给你设定好了你怎么控制就怎么做，你想怎么做就怎么做，但是后来由于风电是在复杂的外界环境当中，我们有更先进的控制，称为自适应控制。在技术发展之后，特别是数字计算机技术的发展以及技术能力的快速发展，我们进入到基于模型的控制，其实现在很多讲数字卵生技术，后面也会讲到一点，都是依赖于我们计算的速度和储存量大数据的发展。基于模型控制有一个非常好的设计，可以预测未来，预测你的下一步要做什么。大家讲到智能，大数据智能控制发展，让现在的风机也更加聪明，前面讲一台风机，现在是好多台风机，风机和风机之间也要交互，它们相互沟通，相互进行影响。

这里讲到数字卵生技术，这里最大的一个好处是什么?随着技术的发展，最大的好处是可以预测未来，这个未来可以是短时期的，也可以是中时期和长时期的。我们一直讲智能，各种智能，进入智能时代，或者有人讲智慧时代，智能也智慧，大家的解释也不一样，或者说不同的角度看问题。我从一个角度看，最重要的是你要能够预知未来，预判未来，历史上比较智慧的人是诸葛亮，因为他能预判到明天早上起雾，因此他能够制定出草船借箭。所以智能时代，我们利用人治观念技术，可以预判未来，未来的能源一定是智慧能源，我们知道明天的消耗，明天的生产等等各种场景，数字卵生技术时间原因不细说了。

整个风场就会变得非常智慧。

前面我讲了风机大型化生长过程，补风系统材料的进步，空气动力学的进步，传动链是从高速到直驱，又螺旋回到中速的过程，以及智慧化的过程。另外一个进化，就是海上风电，它的装机。海上风电比较早出现是一个装机，随着水深，单桩不行了，存在多桩基础，在多桩基础过程中，不同海域它的经济性是不是最好呢?也不一定，所以导管架就出现了，它适用的水域大概是40米、50米，甚至可能的话能到60米，但它是不是更经济呢?这和场景有关系。但是我们想，如果说当水深超过50米之后怎么办呢?所以现在其实是比较多的，很容易想象，我们要把油气方面的技术和经验运用到风电行业里面来，其中一项技术是漂浮式风机，它非常美好，它一下覆盖我们地球70%面积的海洋，所有的能源都成为我们开发的对象，而不仅局限于海床的深度和质量等等。

这是我们明阳和一家德国公司合作的在日本的一台3兆瓦的海上风机，使用两叶片技术，抗台风的，使用船型的，右边是我们在国内合作伙伴合作的全国第一个漂浮式风机，同时，漂浮式风机有一个非常大的好处，使海上工程的问题变成我们岸上制造的问题，在未来我预期会使海上风电成本大幅下降。

最后我们想，上部是海上风电发电，我们还把波浪能、潮流能，下部海洋牧场，整个一体化融合起来，这里起到很多作用，第一是解决我们的清洁绿色能源的问题，波浪现在是不具备经济性的，洋流能也不太具备经济性，但如果把它们融合起来呢，因地制宜，是不是这个问题在一定程度上能够解决呢?如果我们再把它和海洋牧场融合起来，我们和广东省领导沟通的时候，说我们广东省陆地面积20万平方公里，海洋面积40万平方公里，这40万平方公里是你的吗?从疆土上是你的，但也可以说它可能不属于你，为什么呢?你有没有技术去，海一直在那里，你有没有去开采，有没有去利用，但我们发展风电技术过程中，海工技术大幅发展，这40万平方公里海域就成为你的后院，你有空就可以去捕捕鱼，养养鱼，真正成为你的海洋强省海洋强国的一部分。海上风电还可以跟制氢结合在一起，通过风电技术发展，我们不断攻克台风问题、低风速问题、水文地质问题、漂浮式的问题，通过这种需求的存在，推动技术不断发展。

技术驱动经济发展，经济反哺技术，未来能源这么一个要求，对新能源的要求，对未来的各种技术提出了要求，再使得各种能源技术才可能得到发展，否则的话你没有机会，新能源一开始总是贵的，跟煤电没办法竞争，跟化石能源，但有这么一个机会，我们推动了技术发展，通过海工装备、电力电子、新材料等等，我们由产生新的经济，经济最后又反哺技术，这样推动社会往前高质量发展。

我们希望未来用清洁绿色能源部，智慧能源普惠全球，将来我们经济绿色能源不但是绿色可持续发展的，而且是更便宜的，这样的话造福我们人类，整个地球能够得到可持续发展。