风力机可以无限“长大”吗？

出品：科普中国

作者：城明辰（科普创作者）

监制：中国科普博览

2024年6月26日，我国自主研制的18兆瓦半直驱海上风电机组在广东省汕头风电临海试验基地顺利并网发电，再次刷新已并网风电机组单机容量最大的世界纪录。这台机组的部件级国产化率达到了100%，平均每年发电量可达7200万千瓦时，可满足约4万户家庭一年的用电量。

2024年6月5日，18兆瓦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18兆瓦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，标志着创造风轮直径260米、单机功率18兆瓦“两个全球第一”纪录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的趋势，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，随着技术的进步，它们的尺寸也会逐渐增大，风力发电机也是如此。1981年，当时全球最大的风力机的功率仅为55千瓦（55kW）。在1995年，这一数字才缓慢上升到500kW，1999年达到2兆瓦（2MW）。然而，此后风电机组的额定发电功率却一路狂飙，5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前来看，这种大型化的趋势丝毫没有放缓的迹象。

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。

18兆瓦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月的印刷版Nature上刊登了一篇论文《Wind Turbines: How Big?》进行探讨。英国杜哈梅大学（Durham University）工程系的Simon Hogg教授解释说，简而言之，最核心的原因只有一个，就是为了降低能源成本。

尽管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，但发电量也会显著提升。目前统计到的大量的机组数据显示，机组尺寸越大，单位平均度电成本（每度电的发电收益与总成本的比值）越低。正是因为这条规律，风力发电机才会不断变大。

无法跳出极限边界

更长的叶片会产生更大的发电量，但我们必须考虑到严格的物理定律。由于重力等因素的作用，地球上的任何物体均有一个极限尺寸。例如，不论是陆地上最大的动物大象、海中最大的动物蓝鲸，还是最高的山峰、最高的建筑物等等，世间万物都有极限尺寸。因此，风电机组不能例外，叶片的尺寸不可能无限增加。

首先，重量是需要被考虑到的第一要素。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，而这又会产生额外的重量，从而给大型机组的设计带来更大的挑战。丹麦维斯塔斯公司的10MW机组的每一个叶片都重达35吨，机舱将达到近400吨。美国的GE（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，也需要考虑材料性能的极限。从理论上讲，只有风电叶片组成材料具有充分的结构承载性能，才可以支撑它不断变大。目前风电叶片的主梁已经广泛采用碳纤维材料体系，可以说这是最强的材料体系，未来叶片几乎没有其他更优异的选择了。根据碳纤维的极限进行大致推测，最大的叶片将很快就会超过150米，有些人预测说叶片的极限长度是275米。

18兆瓦中速全集成海上风电机组完成安装

（图片来源：央视新闻）

再次，要考虑损耗情况。基于当前的设计，默认空气是不可压缩的，此时叶尖的线速度必须限制在每秒90米以内，所以，更大的叶轮转速会更慢。但即使如此，叶尖的高速运动也会使叶片与雨滴和海浪碰撞，造成严重的侵蚀风险，3年之内，海上风电叶片的前缘形状会发生损伤，发电效率会显著下降。

最后还有运输问题。每一个大本钟大小的叶片都必须进行一体运输，这需要巨大的港口、巨型船只和起重机。由于陆地上道路宽度、涵洞等限制，陆上的叶片运输已进入瓶颈，因此，目前超大型的风电叶片均安装在海上。

大型化的发展方向

风电机组不断增大的过程中要面对的各种问题也愈加凸显，但是目前工程师大多“以不变应万变”，仅仅将叶片延长，塔架升高，对核心的部件进行加固处理。在设计思路上也并未发生变化，尺寸相差10倍的大机组和小机组在本质上并没有差异。

作为风电机组的核心部件，叶片始终都是机组大型化发展过程中无法绕开的部分。主流的风力机采用的是三叶片方式，但其实两支叶片也可以吸收大致相等的风能，产生相近的电量，显然，如果风力机采用两叶片方案，其整体的重量会大幅减轻，叶片长度也可以对应增加。只是两叶片方案会产生严重的不平衡载荷，不利于机组的长期稳定运行，而这也是它很少出现在市场上的原因。

针对上面提到的叶片运输问题，最直接有效的解决方案就是将叶片分成两段或多段。但是，相对于单体叶片，为了保证分段连接区域的可靠性和安全性，分段叶片的重量往往更大，载荷水平更高，对机组的大型化并不友好，并且设计难度更大。尽管如此，目前多家风电企业正在积极投入到分段叶片的研发工作中，近些年将会陆续问世。

结语

仅仅是10年前，风力发电还只是一个新兴的事物，当时的主流观点从来不认为它可以商业化运行，但如今风电正在以人类前所未知的速度占据能源电力市场，尽管风力发电机的尺寸也在不断增加，但是可以预见的的是，它的极限尺寸将在未来的5-10年内到达或接近极限，我们也即将见证历史。

参考文献

[1] VACLAV SMIL：Wind Turbines Just Keep Getting Bigger, But Theres a Limit The biggest blades will soon top 100 meters, and some people are talking of 275 meters—but the laws of physics must be taken into account

[2] Simon Hogg：Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?

[3] Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?