2024年6月5日，18MW半直驱大功率海上风电机组在广东省汕头市风电临海试验基地成功完成吊装。图片来源：东方电气集团

几天后的6月30日，我国自主研制的“18MW中速集成海上风电机组”，经过一年多的全面测试验证，在辽宁营口华能仙人岛热电厂成功完成吊装，标志着创造了“两个全球第一”纪录（风轮直径260米、单机功率18MW）的风电机组即将投入商业化应用。

海上风电技术研究是我国实现能源安全、建设海洋强国等国家战略需求的重要手段。十余年前，中国海上风电产业刚刚起步。到如今，中国风电已经引领全球风电机组大型化趋势，自主品牌产品推陈出新，率先踏入了风电技术和产业发展的“无人区”。

风力发电机

“大”势所趋

对于高层建筑、桥梁以及电视等工业产品，随着技术的发展，它们的尺寸也逐渐增大，风力发电机也是如此。1981年，当时全球最大风力机的功率仅为55kW，在1995年，这一数字才缓慢上升到500kW，1999年达到2MW。然而，此后风电机组的额定发电功率却一路攀升：5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前来看，这种大型化发展趋势并无丝毫放缓迹象。

大型风力发电机的功率是如何不断增长的？答案是：不断变长的叶片。更大的叶片在旋转时会从更大面积的风中提取能量，从而产生更多的电力，发电机的发电功率与叶片旋转扫过的圆盘面积直接相关。

18 MW半直驱海上风电机组下线。图片来源：福州晚报

那么，为什么风力机的尺寸会以如此快的速度增加？2019年11月印刷版 《自然》（Nature）上刊登了一篇论文《风力发电机：有多大？》(Wind Turbines: How Big？)，探讨了该问题。英国杜哈梅大学工程系教授西蒙·霍格（Simon Hogg）解释说，最核心的原因只有一个，就是降低能源成本。

随着风力机尺寸的增大，其设计、制造、运输、安装及维护等成本也会增加，发电量也会显著提升。根据目前统计到的大量机组数据可知，机组尺寸越大，单位平均度电成本（每度电发电收益与总成本的比值）越低。正因这条规律，风力发电机才会不断变大。

“平衡”发展

突破技术瓶颈

更长的叶片会产生更大的发电量，但我们必须考虑严格的物理定律。由于重力等因素，地球上任何物体均有一个极限尺寸。风电机组也不例外，叶片的尺寸不可能无限增加。

首先，重量是第一要考虑要素。叶片的重量会随着叶片长度的立方而增加，同时，为了保证结构的可靠性和安全性，各个部件需要使用更多的材料进行加固，而这又会增加额外的重量，给大型机组的设计带来更大的挑战。丹麦维斯塔斯公司10MW机组的每一个叶片都重达35吨，机舱达到近400吨；美国通用电气公司即将推出的机组将安装55吨的叶片、600吨的机舱和2550吨的塔架。

其次，需要考虑材料性能的极限。理论上讲，只有风电叶片组成材料具有充分的结构承载性能，支撑它不断变大。目前，风电叶片主梁广泛采用碳纤维材料体系（可以说这是最强的材料体系），未来叶片的材料，几乎没有比它更优异的选择了。我们根据碳纤维的极限大致推测，最大的叶片将很快就会超过150米，有些人预测叶片的极限长度是275米。