从八达岭到达坂城:风电技术国产化是如何起步的

[《南方能源观察》2024年第1期], 国研网 发布于 2024/4/28


截至2023年10月底,全国风电累计装机容量达到4亿千瓦。从几乎可以忽略不计的发电装机占比到成为全球最大的风电市场,我国风电为推动绿色低碳转型提供了重要支撑。在“双碳”目标引领下,风电发展将继续肩负清洁能源发展主力军的使命,为我国能源转型持续注入动能。

截至202310月底,全国风电累计装机容量达到4亿千瓦。从几乎可以忽略不计的发电装机占比到成为全球最大的风电市场,我国风电为推动绿色低碳转型提供了重要支撑。在双碳目标引领下,风电发展将继续肩负清洁能源发展主力军的使命,为我国能源转型持续注入动能。

随着风电产业的发展,风电装备制造规模不断扩大。根据全球风能理事会(GWEC)的数据,2022年全球新增装机容量排名前15的整机企业中,中国企业占据10席;而全球累计装机容量排名前15的整机企业中,中国企业占据8席,合计约占全球风电累计装机容量的31.6%。自2006年可再生能源法颁布以来,风电经历了近20年高速发展,风电整机装备从依赖进口到实现国产化,经历了曲折艰辛的成长历程,也成为我国可再生能源技术崛起的重要缩影。

我国风电产业是从20世纪70年代研发离网型小型风电机组开始的。改革开放后,经济的快速发展带动电力的需求迅猛增长。而在世界范围内,两次石油危机的阴影笼罩下,寻求替代能源的需求开始萌芽。70年代末,水利电力部开始组织技术人员开展离网型风力发电机组研发,但当时国内风电相关技术的研发体系处于初步阶段,尤其缺乏可以为风力发电机组提供试验和测试的平台。

风起八达岭

20世纪70年代,八达岭脚下的西拨子火车站一带常年山风猎猎,冬天寒冷荒凉,由于处于两山峡谷之间,地势开阔,属于资源较好的区域。这片区域由原列车电业局(以下简称列电局)管理,1978年以后,水利电力部在此地设置试验站,开始进行一些基础的小型风力发电机试验。1979年,国家科委成立了国家科委能源组风能分组,并制定了风能分组的科学技术发展规划,对一些研究人员和团队下达了研发风力发电机组的任务。

当时正值各项经济建设和科学研究逐步恢复的时期,全国各界思维活跃,高校、科研院所、机械厂和修造厂等单位成为早期风电机组研发的主要力量。列电局依托八达岭风电试验站主持了几项10—20千瓦级的小型风电机组研发,并且从美国和瑞士引进了不同技术路线的机组进行研究。在1981年由电力工业部主持、列电局保定基地主办的全国风电座谈会上,来自国家能源委员会、中央气象局、清华大学等单位的与会代表探讨了我国发展大型风力发电机组的可行性。会议认为,中国风力发电的研制方向应首先是:解决广大农、牧、渔有风无电地区的孤立用电,以发展10千瓦以下、运行可靠、操作维护简单、造价低廉的小型机组为主;加速已有样机的改进完善和技术鉴定,早日做出商品化的定型机组。同时可进行大型及过渡机组方案探讨和经济技术比较,以利于今后向大型化发展。

1983年,时任国务院副总理、水利电力部第一副部长李鹏带领水利电力部专家视察八达岭风电试验站。当时试验站已经初具规模,李鹏提出将八达岭试验站建设为承担国内风力发电科研、试验、培训和推广四大任务的风电技术中心。同年,列电局撤销,八达岭风电试验站移交给华北电业管理局管理,由华北电力科学研究院(以下简称华北电科院)负责建设运营。

机构改革没有改变八达岭风电试验站的研发规划。试验站一方面承担安装在试验场地中各类风电机组样机的运行、检测、鉴定工作,另一方面前往国内其他风电机组样机安装场地进行机组型式试验工作,完成多台中小型风电机组研发设计及样机制造,包括100—200W水平轴、2kWФ型垂直轴、1kW风道式风电机组等。这段时间,八达岭试验站试验场地安装了26台不同型号的风力发电机组试验样机,单机容量最大为50千瓦,最小为30,型式包括水平轴、垂直轴、达理厄型等。

曾在八达岭风电试验站工作近20年的试验站站长张世惠回忆说:当年全国能做风力发电试验和鉴定的机构很少,八达岭风电试验站完成了很多不同类型的风电机组试验,研发的相测技术在当时国内属于首创。

此外,八达岭风电试验站还开展了风电标准研究和制定工作,为中国风电开发和设备制造建立了一套试验体系及部分相关标准体系,部分机组还在2003年通过国家认可委CNAS)风电标准型式试验的试验室评审。

随着风电技术研发活动的兴起,八达岭风电试验站逐渐成为中国风电发展早期一个重要的交流平台与宣传窗口。当时每年到试验站参观、交流的国外风电技术人员达100余人次,试验站还曾举办多期风电技术培训班,邀请国内外风电专家讲课,业界曾称之为中国风电界的黄埔军校

发展风电要抓龙头

尽管频繁的风电交流活动让荒凉的八达岭风电试验站热闹起来,风电机组的国产化进程仍举步维艰。一方面,虽然在学界和研究机构,风电技术的研发如火如荼,但从能源供应结构来看,风电的份额几乎可以忽略不计;另一方面,尽管当时中外交流频繁,但掌握风力发电核心技术的外国机构和企业并不会共享这些技术和数据。据张世惠回忆,当年试验站通过水利电力部与联合国开发计划署(UNDP)的合作项目,获得了一些小型机组和检测设备的捐赠,但在测试和试验过程中存在很多限制,无法获取有价值的参数,对风电机组的国产化研发帮助不大。

核心技术被卡脖子的困境让国家能源主管部门意识到,要实现风力发电的跨越式发展、推动国产风力发电设备的研发和生产,单靠几个实验室和研发团队是不够的,必须依托项目进行规模化开发,推动关键设备和技术的自主研发及创新。

1985年,新疆维吾尔自治区与水利电力部组织了一次风电考察,由当时的自治区副主席黄宝璋带队,到丹麦等欧洲国家访问电力相关部门、科研机构、装备制造企业和试验场站等单位,引进了一批丹麦生产的20—30千瓦风电机组,还购进了丹麦Wincon公司55千瓦独立运行风电机组与100千瓦并网风电机组各一台,建立了柴窝堡湖风电实验站。这些机组试运行成功后,新疆优秀的风资源禀赋和运行数据引起当时的风电强国丹麦的注意,为了打进中国庞大的潜在风电市场,丹麦外交部经济开发署向中国提供了35320万美元的无息贷款,当时新疆水利水电研究所所长王文启用这笔钱从丹麦购置了14台风机,由此在新疆开启了一个对中国风电发展意义重大的项目——达坂城风电场。1989年,达坂城风电场建成投运,总装机容量为2050千瓦,是当时亚洲最大的风电场。

在达坂城风电场建设过程中,中方有意识地加强核心部件的国产化制造,经过与国外塔筒厂商的谈判,引进了塔筒设计图纸,通过达坂城项目的实施,初步实现了风电机组塔筒的国产化制造。但风机主机的国产化还在探索的路上,据当年在达坂城风电场一场当场长、后来成立风电龙头企业新疆金风科技股份有限公司(以下简称“金风科技”)的武钢回忆,直到2000年前,达坂城风电场的风机设备还是主要依靠进口,风电场内可以看到欧洲早期十多家风电厂商的机型。

尽管如此,风电项目的落地和运行为装备技术进化带来的推动作用还是显而易见的。20世纪80年代末到90年代初,中国一方面利用专项扶持资金,另一方面利用国际合作提供的资金和技术援助,在全国各地建设了数个示范性风电场。中国风电建设逐渐形成规模,一个前景广阔的市场面向世界打开了。

1995年,水利部原部长汪恕诚曾撰文称,发展风电要以项目和市场作为驱动,发展风电要抓龙头,首先抓风电场建设,通过抓风电场建设来带动整个风电事业的发展。先抓风力机的国产化还是先抓风电场的建设?按照办水电的经验,要把项目放在第一位,通过项目的建设带动风力机的制造、科研、设计、教学等。事实上,依托上述试验风电场,中国得以引进欧洲风电机组,向部分欧洲厂家购买风机设计图纸成为当年打开风电机组国产化之路的敲门砖。虽然获得设计图纸与真正掌握核心技术尚有一定距离,但当时的风电技术研发人员通过长时间的运行、试验、检修工作,充分地和不同技术路线的风电机组打交道,边学边干,为国产化机组的研发打下了重要的基础。

技术攻关之路

20世纪80—90年代,中国风电发展处于从零开始逐步向产业化迈进的历程。在这个过程中,国家能源主管部门及相关决策者对风电的认知决定了行业的发展方向。

80年代,发展风电主要出于解决农村、牧区和偏远地区用电问题的需要,风机机组研发也主要从适应这些区域的用电需求出发,以小功率离网型风机为主。随着经济和社会的发展,以及在欧洲国家大力开发风力发电、发展替代能源以减少对化石能源依赖的背景下,中国对风电建设和技术研发的重视程度也日益提升,大力推进商业化或示范性风电项目建设成为发展风力发电最重要的举措。与此同时,国家也加大了对技术研发的投入,开展了一系列风电机组国产化研发的科技攻关项目。

风电首次被纳入国家科技发展战略是在“六五”时期,当时的主要任务还是百瓦级小型风电机组的科技攻关工作。20世纪80年代以来,50—200瓦的微型风力发电机相继研制成功并投入批量生产,1—20千瓦的中小型风力发电机组也进入小批量生产阶段。从七五计划开始,国家计委、科技部组织研发团队对欧洲风电机组进行消化吸收和国产化,经过两轮试制,终于将555千瓦机组安装在内蒙古商都大山湾风电场并实现并网运行,这是我国首次自行制造生产并网机组。这些研发活动为大功率机组的研发奠定了重要基础。

进入90年代,规模化开发对风电发展的推动作用显露,能源主管部门在着力推动一系列风电场项目开发的同时,也开始将政策和资金支持的方向转向中大型机组的研发。

“九五”时期,我国风电装机容量迅速增加,以武钢等技术人员为首的风电场研发团队投入国产化大型风电机组的研发当中,“九五”计划正式把“600千瓦风力发电机组研制列入科技攻关项目。199912月,国家计委在计投资〔19992088号文中确定,1999—2000年,由国家计委拨款750万元,用于乘风计划国产化风机示范场建设及质量检测体系建设,其中650万元主要用于国产化风机示范场的补贴。20001月,国家经贸委发布《关于加快风力发电技术装备国产化的指导意见》,提出用户牵头,以项目为依托,风险共担,效益共享”的原则,对使用国产风力发电技术装备的示范风力发电场给予政策和资金支持,对项目投资贷款给予贴息。在质量和价格水平相当的条件下,使用国产设备的风力发电项目优先立项和上网。

在这一系列国家计划和资金的带动下,风电设备国产化研发取得很大进展,尤其对使用国产风电机组的风电场给予补贴的措施,使得一些风电场形成了以项目为运行和试验平台、以整机厂商为研发核心、零部件制造厂商相配套的研发格局。这一阶段,各地示范性风电场陆续有不同功率型号的国产风机投入使用。

国产风电机组龙头企业金风科技正是在这一时期建立的。1998年,由新疆风能公司、新疆风能研究所和中国水利投资公司等共同出资创建的民营企业——新疆金风科技股份有限公司成立。承担着600千瓦风力发电机组的研发任务,金风科技很快交出了答卷,同年6月,国内第一台600千瓦风电机组在金风科技诞生。乘风计划也有了初步成果,由洛阳第一拖拉机集团和西班牙国家电力公司MADE再生技术公司共同出资组建的一拖一美德(洛阳)风电设备有限公司自1998年成立以来投资600万美元,建立现代化总装车间,引进全套先进装配及试验检测设备。2000年,该公司自主研发的首台660千瓦国产化风力发电机组完工,国产化率达到40%

经历了20年的钻研探索,中国风电机组的国产化之路终于取得了阶段性成果,迎着21世纪的曙光,中国风电机组打开了逐步替代国外风机、占有国内市场的新格局。

新世纪 新问题 新方向

经过20世纪90年代的初步开发,风电装机规模虽有一定增长,却也带来一些问题。最突出的问题在于,中国风电已进入产业化发展阶段,但相应的制度体系仍未建立起来。汪恕诚认为,发展风电需要从原来的试验性质、小打小闹,向产业化、规范化的方向发展要有严格的搞产业的办法

21世纪初,尽管几个商业化和示范性风电场已经建设和运行起来,风电总装机容量在全国电力装机总量中的占比依然非常小,这导致风电在电网调度系统中几乎没有发挥作用,也没有得到重视。除了拿到补贴和政策支持的项目,其他风电场生存非常困难。2003年,运行超过20年的八达岭风电试验站被撤销。

进入21世纪后,随着经济高速发展,能源资源压力不断增大。此外,粗放式的经济发展模式也带来了严峻的环境和生态问题。在21世纪初的能源经济格局下,要解决这些问题,一方面,要提高能效,推动煤炭清洁利用;另一方面,大力发展可再生能源成为一个可行的选项。

20052月,《中华人民共和国可再生能源法》获得通过,以风电为代表的新能源迎来历史性机遇。8月,国家发展改革委颁布《关于风电建设管理有关要求的通知》,规定新建风电场风电设备国产化率要达到70%以上,不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。同年,金风科技研制出1.2兆瓦直驱永磁风电机组,这是国内第一台具有自主知识产权的兆瓦级风机,使中国风机制造实现了从模仿跟随到自主突破的跨越。

此外,经过过去十年的风电开发,国内的风电技术研发中心已经从单一的研究机构转移到整机厂商的研发团队。为了进一步推动技术研发和迭代,部分大型开发商和整机厂商建立了自己的试验场和检测平台,中国的产业系统和结构逐步完善。

被撤销后的八达岭风电试验站并未完全退出历史舞台,2005—2008年,华北电科院仍有几个院所从事新能源相关研究。随着风电的进一步开发,并网问题日益成为中国风电发展的关键。2011年,华北电科院在八达岭风电试验站的研究基础上重新组建了一个新能源研究团队——智能电网与新能源研究所,聚焦新能源接入电网的重大问题,并对冀北地区新能源场站开展涉网性能检测、精细化建模与模型验证、大数据挖掘与应用、场站技术监督与并网性能提升等研究。在八达岭风电试验站原址,当年的立轴式风电机组仍矗立在荒草里,但周边研究所的研究方向已随时代的发展而转变。

国产风电机组的研发从八达岭风电试验站起步,经历了20年中小型风电机组的研发才终于走上国产化机组的赛道,拥有可以与国外风电机组竞争的核心技术和产品。放眼国内风电场,国产风电机组已经占据绝对的市场优势,海上风机甚至已经出现18兆瓦的机组,很难想象当年的技术研发人员是如何从几十瓦、几百瓦的机组开始推动风电技术国产化的。但正是因为有这段艰难起步的历史奠基,中国风电才得以行稳致远,中国才得以成为真正的风电强国。

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