風力發(fā)電作為新能源的一種，其創(chuàng)新的之處不僅在于其所利用的資源是新型能源，更在于風力發(fā)電的發(fā)展更多依靠技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，而不是化石能源時代依靠大自然賦予的能源資源。不論是化石能源還是新能源，能源作為經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)，為社會提供廉價的能源是擴大其發(fā)展規(guī)模，提升其在能源系統(tǒng)中地位的根本。降低化石能源成本主要途徑是依靠自然賦予的豐富資源，以快速攫取化石能源資源來降低，而化石能源的技術(shù)依靠技術(shù)創(chuàng)新。成本降低主要依靠創(chuàng)新驅(qū)動風力發(fā)電已經(jīng)。風力發(fā)電取得今天舉世矚目的成就，成為許多國家重要的電力來源便是風電產(chǎn)業(yè)不斷技術(shù)創(chuàng)新取得的成果體現(xiàn)。展望未來，風電將在全球和我國的電力能源中占據(jù)重要地位，有權(quán)威機構(gòu)預計未來到碳中約三分之一的電力由風電提供。當前，風電已經(jīng)從依靠補貼的發(fā)展階段正在全面邁入平價上網(wǎng)時代，沒有了政府的補貼，風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更需要依賴技術(shù)創(chuàng)新取得技術(shù)進步，企業(yè)之間的競爭表現(xiàn)為創(chuàng)新能力的持續(xù)競爭。持續(xù)創(chuàng)新是實現(xiàn)高比例風力發(fā)電的必然要求，那么技術(shù)創(chuàng)新的熱點在哪兒值得關(guān)注，有必要開展深入研究。
一、 風電發(fā)展歷史與技術(shù)創(chuàng)新
風能利用歷史非常久遠，應用范圍很廣。受制于技術(shù)限制，早期的風能利用裝置主要以單純提供動力為主。早在公元前數(shù)世紀人們就利用風力提水、灌溉、磨面、舂米。埃及尼羅河上的風帆船、中國的木帆船，都有兩三千年的歷史記載，可見風帆船已廣泛用于江河航運。由于風力發(fā)電的技術(shù)創(chuàng)新較少，類似的應用持續(xù)了非常長的時期，而且當時的風能利用設(shè)備尺寸較小。
隨著空氣動力學的發(fā)展，風能利用的效率比傳統(tǒng)的應用方式大幅度提升。風機的應用從傳統(tǒng)的提供轉(zhuǎn)動動力的設(shè)備進而發(fā)展為用來發(fā)電的設(shè)備，甚至建成風力發(fā)電場。
1888年，Charles Brush搭建了第一個大型直徑17米，有144個由雪松木制成的葉片，功率為12千瓦的風力發(fā)電機。在發(fā)明了風力發(fā)電機這一巨大的革命性創(chuàng)新之后，風能利用從此開辟了新的應用場景。當時相關(guān)的公司獲得了很大的業(yè)務量，那就是將原來的風車改造為風力發(fā)電機，新技術(shù)的發(fā)展為當時風力發(fā)電公司創(chuàng)造了新的業(yè)務增長。但是，當時的風機葉輪相當復雜葉片數(shù)量高達144個，而當前葉片的數(shù)量僅為2-3個。從風力發(fā)電機用于發(fā)電到第二次世界大戰(zhàn)期間，風力發(fā)電發(fā)展比較緩慢。
二戰(zhàn)期間，丹麥風電公司發(fā)明了2-3個葉片的風力發(fā)電機，大幅提高了發(fā)電效率，這也是目前普遍采用的風機葉片的模式。從二戰(zhàn)到70年代末中東石油危機期間，風力發(fā)電主要應用以離網(wǎng)發(fā)電方式解決美國、歐洲等國的缺電問題，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分緩慢。
隨著風力發(fā)電技術(shù)的進步，風機的功率不斷增大，應用的主要場景從離網(wǎng)逐步擴展到并網(wǎng)。進入20世紀，風力發(fā)電的發(fā)展階段以70年代中東石油危機為分界線，70年代之前風力發(fā)電發(fā)展主要以離網(wǎng)發(fā)電為主。離網(wǎng)風力發(fā)電主要解決偏遠美國、歐洲等偏遠無電地區(qū)的供電問題。
進入70年代到現(xiàn)在，被稱為風力發(fā)電現(xiàn)代化的發(fā)展階段，呈現(xiàn)出單機規(guī)模顯著增加，商業(yè)化發(fā)展迅速，競爭力顯著增強，從離網(wǎng)向并網(wǎng)轉(zhuǎn)變。風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出這些新的特征主要是全球?qū)τ谀茉窗踩年P(guān)注度提高，環(huán)境保護意識的增加以及風電自身經(jīng)濟性競爭力的提高。末期中東石油危機引發(fā)了全球?qū)δ茉窗踩母叨汝P(guān)注，能源革命被高度重視，發(fā)達國家普遍開始研究和推動可再生能源的發(fā)展。風力發(fā)展在這個階段得到了快速發(fā)展，從過去一直以離網(wǎng)發(fā)電為主開始進行并網(wǎng)應用。實現(xiàn)這一跨越式發(fā)展，主要由于1980-1981年開發(fā)的55kW風力發(fā)電機的出現(xiàn)，隨著這種風力發(fā)電機的誕生，風力發(fā)電每度電的成本下降了約 50%。
進入80年代以后，風電進入了蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代化發(fā)展階段，風電技術(shù)取得了很大的進步。到2020年，風電在多個地區(qū)已經(jīng)成為發(fā)電成本最低的電源，為風電規(guī)模化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；風電已經(jīng)成為多個國家電力系統(tǒng)中重要的電源，在丹麥等多個歐洲國家的發(fā)電量占比超過10%。
二、 風電機組大型對核心技術(shù)要求進一步升級
開展風力發(fā)電首先需要理解和認識風能資源的特征。風能實際上是另外一種形式的太陽能資源，主要源于太陽對于地球上大氣接收到的太陽能輻射不同，地球表面不規(guī)則的形狀，以及地球的自轉(zhuǎn)。風能資源評估是風電開發(fā)、選址和風電場運行的關(guān)鍵一環(huán)。風在我國各地的風速的變化特征顯著不同，比如經(jīng)過水面、植被或地形。目前隨著風力發(fā)電發(fā)展逐步從主要依靠陸地集中式風電，向海上風電、分散式發(fā)電協(xié)同推進的發(fā)展模式。提高分散式風電開發(fā)和海上風電開發(fā)面臨的風能資源評估的能力。
推動風力發(fā)電成本降低主要從三個方面著手，分別是增加風機發(fā)電額定功率、增加風機輪轂高度和擴大風機葉片直徑。技術(shù)創(chuàng)新的方向主要圍繞這三個方面展開。
（1）單機功率
主要由于風機單機容量增加可以降低風電場安裝風機的數(shù)量，給定功率下運動部件更少有助于提高系統(tǒng)的運行可靠性，降低機械、電子、控制、電纜和塔架等輔助系統(tǒng)的平均成本，有助于降低系統(tǒng)造價。
（2）輪轂高度
由于風能的分布特征在垂直方向受到地面的植被等影響相當顯著，特別是高度較低的位置空氣流場變化受到的擾動更為復雜，增加輪轂的高度可以利用質(zhì)量更高的風能，風速更為穩(wěn)定也有利于風機的穩(wěn)定可靠運行，見下圖。
圖1 風機輪轂高度變化
（3）葉片
隨著風機功率的提升，風機葉片長度不斷增加，風機未來葉片將需要滿足新的需求。如果直接將過去的葉片材料和葉片設(shè)計應用到更長的葉片肯定不能適應風機的運行。一方面剛度不夠，葉片可能與塔架發(fā)生撞擊，另一方面葉片的質(zhì)量過重，靈活性較差，難以適應不斷變化變化的運行風速環(huán)境，以及葉片質(zhì)量過重導致成本顯著上升。未來隨著葉片創(chuàng)新需要滿足新的要求，需要足夠的剛度來避免撞擊塔架，需要靈活性來持續(xù)適應不斷變化的風力條件，需要耐用性來維持20年，還需要葉片表面能夠抵抗鹽霧等的侵蝕，同時去除水分和污垢。
三、下一階段風電發(fā)展對關(guān)鍵零部件技術(shù)創(chuàng)新提出了更高要求
齒輪箱是風電機組的關(guān)鍵部件之一，核心部件是軸承。軸承是風力發(fā)電機組對機組可靠性影響最大的部件，屬于我國風電領(lǐng)域的卡脖子技術(shù)。長期以來，我國在風電零部件領(lǐng)域依賴國外進口主要是軸承。隨著風電行業(yè)平價時代的到來以及海上風電的快速發(fā)展，風電機組大型化趨勢進一步加速。然而，適應大型化發(fā)展對關(guān)鍵零部件提出了更高的要求。隨著全球風電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)的平均單機功率逐步提高，大功率風力電機的整體比重亦穩(wěn)步提高。風電軸承的尺寸隨著風力裝機容量的增加而增大， 其加工難度亦成倍增加。
（1）當前的現(xiàn)狀
風電機組長期矗立在荒野外，運轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，對軸承的性能要求很高，同時要求軸承 20 年免維護。根據(jù)中國軸承協(xié)會在高端軸承技術(shù)路線圖中的介紹，目前風電主軸軸承主要被斯凱孚、舍弗勒、鐵姆肯、羅泰艾德等國外公司壟斷。
我國占據(jù)的風電軸承市場份額較小。從產(chǎn)品類型上來看，我國生產(chǎn)的軸承絕大多數(shù)是小型及中小型軸承，中大型以上的軸承產(chǎn)量占比較少，不足 13%。但中大型以上軸承單套價格較高。目前國內(nèi)已有部分軸承廠商能夠生產(chǎn)，但主要集中在 2MW 及以下風電軸承， 對于3MW及以上風電軸承，由于技術(shù)難度高，國內(nèi)生產(chǎn)還處于起步階段。國內(nèi)公司風電軸承出貨主要集中在門檻稍低的偏航和變槳軸承。
（2）面臨的挑戰(zhàn)
從國際形勢來看，發(fā)達國家紛紛實施“再工業(yè)化”和“制造業(yè)回歸”戰(zhàn)略，力圖搶占高端市場并不斷擴大競爭優(yōu)勢，而新興經(jīng)濟體依靠資源、勞動力等比較優(yōu)勢大力發(fā)展加工制造業(yè)，與我國形成同質(zhì)化競爭，軸承行業(yè)自然面臨了前有阻擊后有追兵的雙重擠壓。
從國內(nèi)環(huán)境來看，能源、資源、勞動力等生產(chǎn)要素成本加速上升，生態(tài)環(huán)境約束趨緊，這些因素均對風電設(shè)備相關(guān)企業(yè)的經(jīng)營產(chǎn)生嚴重的負面影響。
從行業(yè)來看，我國軸承行業(yè)的研發(fā)能力較弱，高端軸承國產(chǎn)化未取得突破性緊張。軸承企業(yè)對于基礎(chǔ)研發(fā)的積累不足，行業(yè)內(nèi)重復建設(shè)、過度競爭現(xiàn)象依然嚴重。未來如何提高高端軸承等高端制造業(yè)的競爭力是新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要挑戰(zhàn)，希冀中國制造2025可以在這方面給予更多的關(guān)注。
受制于我國基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)材料的研制以及基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究和開發(fā)的不足，我國重大技術(shù)裝備和智能制造裝備的制造水平不高，高端、精密基礎(chǔ)件加工專用制造裝備的缺乏又反過來制約著基礎(chǔ)零部件及基礎(chǔ)材料的生產(chǎn)制造。
