張啟應：風(fēng)電技術(shù)進(jìn)化與環(huán)境可持續發(fā)展

編者按：2021年7月8日，以“碳中和與未來(lái)能源”為主題的“第三屆未來(lái)能源大會(huì )”在北京召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，明陽(yáng)智慧能源集團總裁兼首席技術(shù)官張啟應發(fā)表了“風(fēng)電技術(shù)進(jìn)化與環(huán)境可持續發(fā)展”的主旨演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

張啟應：非常高興，也非常榮幸，有這么一個(gè)機會(huì )跟大家分享我們在環(huán)境的可持續發(fā)展以及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的研究方面做的一些工作。其實(shí)我們今天談的很多事情，講碳中和，講零碳等等。還是說(shuō)人類(lèi)未來(lái)以什么樣的方式去發(fā)展，其實(shí)之前做了很多環(huán)境的可持續發(fā)展問(wèn)題。

《2019年世界人口展望》給出這么一個(gè)未來(lái)的展望，2019年全球人口是77億，到2030年會(huì )達到85億人口，到2050年將達到97億。當我們談中國碳中和的時(shí)候，2060的時(shí)候，這個(gè)人口肯定會(huì )超過(guò)100億。整個(gè)過(guò)程中我們面臨的挑戰是養活更多的人口，我們要提供生計，其中就要對氣候變化和環(huán)境退化，以及對資源造成的嚴重影響進(jìn)行預判，給出一個(gè)很好的對策。這是在聯(lián)合國2030年可持續發(fā)展議程中所提出來(lái)的。這里面提出了三大核心問(wèn)題：

第一個(gè)，有人的存在首先你要有糧食，你要有很好的生活條件，不僅僅是2020年的脫貧攻堅，我們還有小康狀態(tài)。同時(shí)，另外一個(gè)是能源，由糧食和能源帶來(lái)的環(huán)境是不是可以承載?

前面各位院士都給出了預判，基本上大家都清楚。2030年，我們全球電力需求預計36萬(wàn)億千瓦時(shí)，較2018年增長(cháng)約47%。2050年預計達到約61萬(wàn)億千瓦時(shí)，較2018年增長(cháng)150%。接下來(lái)怎么弄呢?剛才是能源。

環(huán)境問(wèn)題有糧食問(wèn)題、能源問(wèn)題，最后我們的環(huán)境是不是能夠可持續承載，二氧化碳問(wèn)題太熟悉了，我就不細講了，還有《巴黎協(xié)定》等等。

全球有九大表征點(diǎn)來(lái)表征氣候變化的啟動(dòng)時(shí)機，現在比較危急的情況是，當時(shí)人們認為是5℃，但是現在為止，此時(shí)此刻，有一半表征點(diǎn)已經(jīng)啟動(dòng)了，當這個(gè)表征點(diǎn)啟動(dòng)人的環(huán)境就不可逆了，包括格陵蘭島的冰蓋和南極島的冰蓋等等，所以前面所說(shuō)的碳中和是如此之必要，我們用一個(gè)國家戰略來(lái)做這件事情，是一個(gè)全球的事情。我們講到我們國家的“3060”，其實(shí)全球都提出了自己的目標，很多一般發(fā)達國家都是2050年就達到了，他們多少年前就已經(jīng)碳達峰，有的更提前，到2045年，很多都是以立法的形式存在的。美國是2050年達到碳中和，其中，2035年實(shí)現電力行業(yè)的全面脫碳，2050年達到碳中和，3月29日，白宮網(wǎng)站發(fā)布，計劃在東海岸大力發(fā)展海上風(fēng)電，到2030年美國將部署30GW海上風(fēng)電裝機容量。也就是說(shuō)，海上風(fēng)電是他們達到碳中和有效的或者主要的手段之一。歐盟也是2050年達到碳中和，通過(guò)清潔能源、綠色交通、循環(huán)經(jīng)濟、建筑節能、數字工業(yè)等等。清潔能源是要建立以能源效率為核心的更加循環(huán)的能源系統，大力發(fā)展海上風(fēng)電和氫能，這是他們的碳中和路徑。

2019年哥本哈根海上風(fēng)電會(huì )議上，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì )發(fā)布一項研究報告，《我們的能源，我們的未來(lái)》，它的一個(gè)規劃或者愿景是2050年整個(gè)歐洲要建成450GW海上風(fēng)電，現在是20GW。這450GW做了非常詳盡的分析，這個(gè)分析從資源到電網(wǎng)，到國家，到消費等等，其中在北海是212GW，波羅的海是83GW，大西洋85GW以及地中海70GW。

2050年風(fēng)電要占到30%左右。具體來(lái)看，如果我們大批量使用風(fēng)電，風(fēng)電帶來(lái)的具體效益是什么呢?這里舉一個(gè)例子，比如2018年在福建三峽興化灣風(fēng)電廠(chǎng)，一臺5.5兆瓦的海上風(fēng)機，它的年等效滿(mǎn)發(fā)小時(shí)數5226小時(shí)，年上網(wǎng)電量約2874萬(wàn)千瓦時(shí)，年節約標準煤約3533噸，溫室氣體減排是9185噸，再造森林相當于15307畝每年。

我們再設想一下，在粵港澳大灣區，如果說(shuō)我們建六個(gè)這樣的千萬(wàn)千瓦級海上風(fēng)電場(chǎng)，年等效滿(mǎn)發(fā)小時(shí)數4000小時(shí)的話(huà)，它的上網(wǎng)電量400億千瓦時(shí)每年，按照“十四五”大灣區的規劃，到2025年大灣區所有的用電量是7000億度電，如果是六個(gè)的話(huà)，如果真能實(shí)現的話(huà)，20%-30%的占比，是完全現實(shí)的。

今天這個(gè)主題非常好，未來(lái)能源，最核心的是依托于未來(lái)的技術(shù)發(fā)展。我們這里講到風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，其實(shí)整個(gè)技術(shù)發(fā)展也是有它的脈絡(luò )和它的規律的，正所謂人的發(fā)展有進(jìn)化論，物競天擇，適者生存。對技術(shù)的發(fā)展也有一套內在規律，其中美國的Brian Arthur寫(xiě)過(guò)一本書(shū)《技術(shù)的本質(zhì)》，技術(shù)的本質(zhì)發(fā)展驅動(dòng)的因素有三個(gè)：第一個(gè)是需求;第二個(gè)是組合;第三個(gè)是迭代。他是這么描述的，猶如自然界的生物進(jìn)化，通過(guò)不斷的組合和迭代適應環(huán)境，形成新的技術(shù)和創(chuàng )新經(jīng)濟，驅動(dòng)整個(gè)社會(huì )不斷地發(fā)展。

在整個(gè)風(fēng)機進(jìn)化過(guò)程中，荷蘭風(fēng)車(chē)大家都比較了解，到90年，風(fēng)機是借助于汽車(chē)行業(yè)很多的經(jīng)驗，研發(fā)出我們現代的一些風(fēng)機，現在我們大力發(fā)展海上風(fēng)電，海上風(fēng)電對可靠性要求非常高，現在除了海上風(fēng)電之外，數字技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電對可靠性要求高的話(huà)我們可以找到相應的一些場(chǎng)景，比如它對航空器，也是類(lèi)似的應用場(chǎng)景。所以說(shuō)，現在的海上風(fēng)電類(lèi)似于航空器為本質(zhì)的裝備。大數據和智能時(shí)代要像類(lèi)人一樣思考。

海上風(fēng)電進(jìn)化的整個(gè)過(guò)程，其中有一個(gè)趨勢很明顯，從80年代到今天，我們的風(fēng)機不斷大型化，它的口號是更大、更便宜、更綠色。大到什么程度呢?1983年才十幾千瓦的海上風(fēng)電，風(fēng)輪直徑也就十幾米，到現在全球最大的海上風(fēng)電發(fā)布的是15兆瓦，風(fēng)輪直徑達到236米。我進(jìn)入風(fēng)電行業(yè)不久大家就問(wèn)，這個(gè)風(fēng)電到底能有多大，其實(shí)當時(shí)德國專(zhuān)家預測說(shuō)，它這個(gè)是動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，回答不了你這樣的問(wèn)題?；谖业臍v史預測，每十年風(fēng)輪直徑是要增加50米的，這個(gè)規律大概十幾年過(guò)去了，將近二十年過(guò)去，完美契合了。到今天為止達到將近222米，我相信過(guò)了十年之后它會(huì )達到將近300米，單機容量現在也達到15兆瓦，我們也會(huì )很快發(fā)布類(lèi)似于15兆瓦以上的風(fēng)電平臺。所以大型化將讓它的成本不斷降低。

我們在去年發(fā)布了11兆瓦203，它是全國最大的，也是全亞洲最大的海上風(fēng)電機組。除了大型化，我們的一艘船裝一支葉片，風(fēng)機葉片越來(lái)越長(cháng)越輕越好，發(fā)電量也得到越來(lái)越大的提升。

在風(fēng)輪捕風(fēng)系統凈化過(guò)程，Brian Arthur講到，技術(shù)凈化過(guò)程其中一個(gè)方法就是組合，我們要把汽車(chē)行業(yè)、航空、軍事各方面先進(jìn)技術(shù)用在風(fēng)電上面，F1賽車(chē)從1948年到2020年發(fā)生了很多變化，其中在空氣動(dòng)力學(xué)方面的一些進(jìn)步我們都可以用在風(fēng)機上面。右下角是最新的NASA機智號，這個(gè)機智號是在地球以外的星體上第一個(gè)飛起來(lái)的航空器。在火星它的空氣密度是地球的1/100，它的氣壓是地球的1/150，在如此稀薄的空氣下它居然能飛起來(lái)。這些在材料技術(shù)和空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展都會(huì )被應用在我們的風(fēng)電上，這是我們的飛機葉片，時(shí)間會(huì )越來(lái)越長(cháng)，在氣動(dòng)方面，夜間，10度，翼型，我們都會(huì )得到越來(lái)越好地發(fā)展，我相信很快葉片會(huì )達到100米以上。

除了葉片長(cháng)度發(fā)生變化以外，在風(fēng)機變化過(guò)程中，它還是在不斷發(fā)展的，早期大家很少看到，其實(shí)有單葉片風(fēng)機，只有一支葉片，我們也有兩葉片風(fēng)機，現在更多看到的是三葉片風(fēng)機，單葉片和雙葉片也有它的優(yōu)勢。右邊是多輪風(fēng)機，最多有4個(gè)，這也是未來(lái)的一個(gè)可能趨勢。

除了前面的這些結構進(jìn)步，材料的發(fā)展對風(fēng)力發(fā)展做出了非常大的貢獻，這里以葉片材料為例子，葉片材料都用玻璃纖維，后來(lái)叫高膜量玻璃纖維，也就是十幾年前，膜量從E6的40G帕，到現在我們用到E9的55G帕，我們后來(lái)用碳纖維，但碳纖維又太貴，我們把碳纖維和玻璃纖維進(jìn)行混編，這樣的話(huà)讓我們的葉片越來(lái)越長(cháng)，越來(lái)越輕，我們的發(fā)電量越來(lái)越多，從而有效降低度電成本。

前面講了補風(fēng)系統，風(fēng)機是一個(gè)動(dòng)力系統，現代風(fēng)機是怎么發(fā)明的呢?完全符合Brian Arthur講的那個(gè)規律，有點(diǎn)像可口可樂(lè )的發(fā)明，完全用船用齒輪箱加上船用的發(fā)電機，組合在一起，就成了一個(gè)現代風(fēng)機。在這個(gè)過(guò)程中，一開(kāi)始是高速傳動(dòng)，高速傳動(dòng)過(guò)程中發(fā)現齒輪箱容易壞。是不是可以把直驅優(yōu)勢和高速優(yōu)勢混合在一起，我們稱(chēng)為半直驅?zhuān)@樣一個(gè)方案有很多好處，第一是高可靠性，它的齒輪箱和航空器所用的齒輪箱從基因上是一樣的，航空領(lǐng)域對可靠性要求非常高，同時(shí)，它的效率也非常高。技術(shù)可靠性，最重要的是基因的可靠性，技術(shù)本身的可靠性，所以傳動(dòng)量進(jìn)化的越來(lái)越可靠。

除了傳動(dòng)量，不得不講到智能控制，智能控制的進(jìn)化過(guò)程，早期是簡(jiǎn)單的PI控制，給你設定好了你怎么控制就怎么做，你想怎么做就怎么做，但是后來(lái)由于風(fēng)電是在復雜的外界環(huán)境當中，我們有更先進(jìn)的控制，稱(chēng)為自適應控制。在技術(shù)發(fā)展之后，特別是數字計算機技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)能力的快速發(fā)展，我們進(jìn)入到基于模型的控制，其實(shí)現在很多講數字卵生技術(shù)，后面也會(huì )講到一點(diǎn)，都是依賴(lài)于我們計算的速度和儲存量大數據的發(fā)展?；谀Ｐ涂刂朴幸粋€(gè)非常好的設計，可以預測未來(lái)，預測你的下一步要做什么。大家講到智能，大數據智能控制發(fā)展，讓現在的風(fēng)機也更加聰明，前面講一臺風(fēng)機，現在是好多臺風(fēng)機，風(fēng)機和風(fēng)機之間也要交互，它們相互溝通，相互進(jìn)行影響。

這里講到數字卵生技術(shù)，這里最大的一個(gè)好處是什么?隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，最大的好處是可以預測未來(lái)，這個(gè)未來(lái)可以是短時(shí)期的，也可以是中時(shí)期和長(cháng)時(shí)期的。我們一直講智能，各種智能，進(jìn)入智能時(shí)代，或者有人講智慧時(shí)代，智能也智慧，大家的解釋也不一樣，或者說(shuō)不同的角度看問(wèn)題。我從一個(gè)角度看，最重要的是你要能夠預知未來(lái)，預判未來(lái)，歷史上比較智慧的人是諸葛亮，因為他能預判到明天早上起霧，因此他能夠制定出草船借箭。所以智能時(shí)代，我們利用人治觀(guān)念技術(shù)，可以預判未來(lái)，未來(lái)的能源一定是智慧能源，我們知道明天的消耗，明天的生產(chǎn)等等各種場(chǎng)景，數字卵生技術(shù)時(shí)間原因不細說(shuō)了。

整個(gè)風(fēng)場(chǎng)就會(huì )變得非常智慧。

前面我講了風(fēng)機大型化生長(cháng)過(guò)程，補風(fēng)系統材料的進(jìn)步，空氣動(dòng)力學(xué)的進(jìn)步，傳動(dòng)鏈是從高速到直驅?zhuān)致菪氐街兴俚倪^(guò)程，以及智慧化的過(guò)程。另外一個(gè)進(jìn)化，就是海上風(fēng)電，它的裝機。海上風(fēng)電比較早出現是一個(gè)裝機，隨著(zhù)水深，單樁不行了，存在多樁基礎，在多樁基礎過(guò)程中，不同海域它的經(jīng)濟性是不是最好呢?也不一定，所以導管架就出現了，它適用的水域大概是40米、50米，甚至可能的話(huà)能到60米，但它是不是更經(jīng)濟呢?這和場(chǎng)景有關(guān)系。但是我們想，如果說(shuō)當水深超過(guò)50米之后怎么辦呢?所以現在其實(shí)是比較多的，很容易想象，我們要把油氣方面的技術(shù)和經(jīng)驗運用到風(fēng)電行業(yè)里面來(lái)，其中一項技術(shù)是漂浮式風(fēng)機，它非常美好，它一下覆蓋我們地球70%面積的海洋，所有的能源都成為我們開(kāi)發(fā)的對象，而不僅局限于海床的深度和質(zhì)量等等。

這是我們明陽(yáng)和一家德國公司合作的在日本的一臺3兆瓦的海上風(fēng)機，使用兩葉片技術(shù)，抗臺風(fēng)的，使用船型的，右邊是我們在國內合作伙伴合作的全國第一個(gè)漂浮式風(fēng)機，同時(shí)，漂浮式風(fēng)機有一個(gè)非常大的好處，使海上工程的問(wèn)題變成我們岸上制造的問(wèn)題，在未來(lái)我預期會(huì )使海上風(fēng)電成本大幅下降。

最后我們想，上部是海上風(fēng)電發(fā)電，我們還把波浪能、潮流能，下部海洋牧場(chǎng)，整個(gè)一體化融合起來(lái)，這里起到很多作用，第一是解決我們的清潔綠色能源的問(wèn)題，波浪現在是不具備經(jīng)濟性的，洋流能也不太具備經(jīng)濟性，但如果把它們融合起來(lái)呢，因地制宜，是不是這個(gè)問(wèn)題在一定程度上能夠解決呢?如果我們再把它和海洋牧場(chǎng)融合起來(lái)，我們和廣東省領(lǐng)導溝通的時(shí)候，說(shuō)我們廣東省陸地面積20萬(wàn)平方公里，海洋面積40萬(wàn)平方公里，這40萬(wàn)平方公里是你的嗎?從疆土上是你的，但也可以說(shuō)它可能不屬于你，為什么呢?你有沒(méi)有技術(shù)去，海一直在那里，你有沒(méi)有去開(kāi)采，有沒(méi)有去利用，但我們發(fā)展風(fēng)電技術(shù)過(guò)程中，海工技術(shù)大幅發(fā)展，這40萬(wàn)平方公里海域就成為你的后院，你有空就可以去捕捕魚(yú)，養養魚(yú)，真正成為你的海洋強省海洋強國的一部分。海上風(fēng)電還可以跟制氫結合在一起，通過(guò)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，我們不斷攻克臺風(fēng)問(wèn)題、低風(fēng)速問(wèn)題、水文地質(zhì)問(wèn)題、漂浮式的問(wèn)題，通過(guò)這種需求的存在，推動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展。

技術(shù)驅動(dòng)經(jīng)濟發(fā)展，經(jīng)濟反哺技術(shù)，未來(lái)能源這么一個(gè)要求，對新能源的要求，對未來(lái)的各種技術(shù)提出了要求，再使得各種能源技術(shù)才可能得到發(fā)展，否則的話(huà)你沒(méi)有機會(huì )，新能源一開(kāi)始總是貴的，跟煤電沒(méi)辦法競爭，跟化石能源，但有這么一個(gè)機會(huì )，我們推動(dòng)了技術(shù)發(fā)展，通過(guò)海工裝備、電力電子、新材料等等，我們由產(chǎn)生新的經(jīng)濟，經(jīng)濟最后又反哺技術(shù)，這樣推動(dòng)社會(huì )往前高質(zhì)量發(fā)展。

我們希望未來(lái)用清潔綠色能源部，智慧能源普惠全球，將來(lái)我們經(jīng)濟綠色能源不但是綠色可持續發(fā)展的，而且是更便宜的，這樣的話(huà)造福我們人類(lèi)，整個(gè)地球能夠得到可持續發(fā)展。