助力雙碳戰(zhàn)略風電大有可為

——“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃解讀之十一

國家能源局、科學技術部印發(fā)的《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）指出，要構建現(xiàn)代能源體系，推進能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體系。為此，要加快發(fā)展非化石能源，堅持集中式和分布式并舉，大力提升風電、光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源，有序發(fā)展海上風電。雖然，我國風電事業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，但與世界能源科技強國相比，我國能源科技創(chuàng)新還存在明顯差距。要實現(xiàn)引領能源革命，以下幾項重要的科技問題亟待研究和解決。

聚焦關鍵零部件、核心材料研發(fā)，補齊能源技術裝備短板

風電葉片占據風電機組20%的成本，是風電機組載荷主要來源和吸收風能的主要載體。《規(guī)劃》指出要突破超長葉片、大型結構件等關鍵部件設計制造技術。與歐美主要風能強國相比，我國在風電葉片設計和性能驗證方面仍存在差距，部分原材料仍然依賴進口，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是目前我國風力機葉片設計主要采用歐美已開發(fā)的風力機專用翼型。然而，我國的風資源與歐美地區(qū)存在較大差異。鑒于此，有必要根據我國風資源特點，綜合考慮“高效、低載、變工況性能穩(wěn)定”等設計目標，有效降低葉片對雷諾數和湍流強度等環(huán)境條件敏感性，結合葉片結構屬性和低噪音需求，開發(fā)適用我國陸上和海上風資源的新一代風力機專用翼型族，為1萬千瓦及以上級別的大型風電葉片研發(fā)奠定基礎。

二是隨著風電機組單機容量增加，葉片長度和柔性增加，氣彈顫振速度逐漸降低，使得氣彈穩(wěn)定性成為葉片設計的重要約束條件。百米量級大型風電葉片幾何大變形引起的非線性振動極為顯著，且湍流風況下氣動力非線性效應加劇了非線性耦合動力學行為的復雜性，嚴重危害機組安全運行。針對大型柔性葉片研制面臨的氣動與結構非線性耦合效應復雜、氣動彈性穩(wěn)定性機理不明確等問題，迫切需要突破大型柔性葉片非線性動力學高效計算和顫振準確預測的關鍵技術瓶頸，揭示復雜風況下大型柔性葉片非線性氣彈耦合機理和顫振影響的關鍵因素，發(fā)展大型柔性葉片氣彈耦合多目標聯(lián)合優(yōu)化方法，掌握超長柔性葉片的顫振抑制技術。

三是大型葉片結構幾何非線性和三維應力效應更加突出，葉片結構強度由中小型葉片的材料強度控制為主轉變?yōu)椴牧蠌姸取⒛z接界面、屈曲穩(wěn)定性多種破壞模式的耦合作用。傳統(tǒng)的殼體模型和材料強度判定準則無法準確預測葉片結構的承載力，需要發(fā)展包含復合材料三維漸進失效、非線性屈曲以及膠接界面失效的實體單元模型。在驗證葉片可靠性方面，傳統(tǒng)的小型試樣級實驗和全尺寸葉片實驗無法兼顧快速、準確以及經濟性要求，需要發(fā)展葉片結構部件級測試技術、方法以及規(guī)范。

四是在核心材料應用方面，風電葉片先進碳纖維材料仍然大量從發(fā)達國家進口，國產碳纖維占比較少；輕木芯材受生長周期、生態(tài)環(huán)境以及外部環(huán)境的影響，完全依賴從南美進口，且時常無法正常供應。針對大型風電葉片結構對碳纖維材料的個性化需求，開發(fā)低成本、性能適中、工藝穩(wěn)定的風電葉片碳纖維材料，研究風電葉片碳纖維材料復合材料成型工藝，加強國產碳纖維在大型風電葉片上應用、測試與驗證研究，促進國產碳纖維材料在風電葉片的大規(guī)模應用。在合成泡沫芯材基礎上設計創(chuàng)新增強結構形式，開發(fā)新型結構芯材，逐步替代進口巴沙木芯材，實現(xiàn)葉片高性能夾心材料降本增效與可控供給。

拓展風能利用新方向，重點突破風能利用領域原創(chuàng)性技術

《規(guī)劃》中指出“能源領域原創(chuàng)性、引領性、顛覆性技術偏少，綠色低碳技術發(fā)展難以有效支撐能源綠色低碳轉型”，為進一步拓展風能利用寬度，解決分布式能源就地消納問題，推進風能利用技術轉型升級，亟須推廣風能熱利用技術。風熱機組是一種可以替代燃煤鍋爐供暖并提高風能消納能力的變革性可再生能源供熱技術。目前國內已完成100千瓦級風熱機組樣機示范，理清了風熱機組能量轉化與傳遞規(guī)律，驗證了該技術路線的可行性。下一步亟須開展兆瓦級的工程技術研究及相關示范，優(yōu)化配置、提高風能利用效率、應對未來發(fā)展需求，要重點突破風熱機組以下幾個科學問題：

一是風熱機組一體化設計方法。由于“風熱機組”為風能利用的新形式，風熱機組能量轉換過程涉及到空氣動力學與熱力學的學科交叉，與風力發(fā)電機組和熱泵機組的設計理念有較大差異，需要構建空氣動力學與熱力學耦合系統(tǒng)模型，獲得復雜工況下風熱機組運行特性，形成風熱機組一體化設計方法。

二是適用于風熱機組的高效熱泵循環(huán)技術。風能的不確定性和瞬時性以及熱泵機組的熱滯性，造成風熱機組系統(tǒng)模型具有很強的非線性、不確定性和多干擾性，此外多元化的用戶需求也受社會活動和環(huán)境氣象條件影響，兼具周期性和隨機波動特征。因此，需要研究適用于風熱機組的高效熱泵循環(huán)理論,以獲得風熱機組熱力學優(yōu)化方法。

三是風熱機組優(yōu)化控制策略。風熱機組涉及風力機與熱泵循環(huán)之間的優(yōu)化匹配與動態(tài)調控，需開展典型工況下風熱機組控制策略研究，揭示風力機與熱泵系統(tǒng)耦合的有效控制機制，獲得典型工況下風熱機組控制策略與控制方法。

推動產學研用協(xié)同創(chuàng)新，攻克海上超大型風電裝備研制

海上風電開發(fā)潛力極大，有望通過規(guī)?；l(fā)展（降低建設運維成本）和技術提升（機組大型化）最終實現(xiàn)平價。在國家重大需求的牽引下，亟須開展系列基礎科學研究，為海上風電裝備的自主研發(fā)提供基礎理論支撐和關鍵技術儲備。針對海上風電裝備獨特的服役環(huán)境和結構特征，應重點解決以下幾個科學問題：

一是風—浪—流聯(lián)合激勵下1.5萬千瓦海上風電裝備氣動—水動—伺服—彈性多體多場耦合演化機制。通過研究風—浪—流組合擾動下海上風電裝備機組—塔筒—基礎全耦合動態(tài)過程，揭示海上風電裝備運行過程中能量捕獲機制、運動響應特征與載荷演變機理，進而提出描述海上風電裝備多體多場耦合演化問題的新理論。在此基礎上，開發(fā)大型海上風電機組氣動—結構—伺服—彈性一體化仿真方法，聚集有實力的科研院所、高校以及業(yè)內企業(yè)共同開發(fā)風電機組國產設計與認證軟件。

二是復雜海洋環(huán)境下1萬千瓦級浮式風電裝備多場協(xié)同縮尺理論及耦合動力學高保真模型試驗方法。為解決浮式風電裝備縮比模型試驗無法同時滿足關鍵相似準則雷諾數（Re）與弗洛德數（Fr）條件的問題，有必要深入探討浮式風電裝備多場協(xié)同縮尺理論，發(fā)展耦合動力學高保真風洞和水池模型實驗方法。在此基礎上，進一步發(fā)展風電機組—浮體平臺—系泊系統(tǒng)一體化仿真和設計方法，結合全尺寸時空多尺度多方位外場測試方法，有效指導1萬千瓦級大型浮式風電裝備的研制和示范。

三是超大型海上風電裝備自適應協(xié)同控制理論與方法。通過研究海上風電裝備在不同控制方法和系統(tǒng)狀態(tài)參數下的動力學響應演化特征，揭示考慮多體多場耦合演化機理的協(xié)同控制機制。進一步發(fā)展以綜合性能最優(yōu)為目標的協(xié)同優(yōu)化控制理論與方法，開發(fā)風—浪—流狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術，研究適應性控制算法，實現(xiàn)超大型海上風電裝備性能的精準預測和智能化控制，從而解決超大型風電裝備效率、載荷與穩(wěn)定性等綜合性能平衡匹配的關鍵問題。（徐建中）

責任編輯：孫靜

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