張啟應(yīng)：風(fēng)電技術(shù)進化與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

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

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

張啟應(yīng)：非常高興，也非常榮幸，有這么一個機會跟大家分享我們在環(huán)境的可持續(xù)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。其實我們今天談的很多事情，講碳中和，講零碳等等。還是說人類未來以什么樣的方式去發(fā)展，其實之前做了很多環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題。

《2019年世界人口展望》給出這么一個未來的展望，2019年全球人口是77億，到2030年會達到85億人口，到2050年將達到97億。當(dāng)我們談中國碳中和的時候，2060的時候，這個人口肯定會超過100億。整個過程中我們面臨的挑戰(zhàn)是養(yǎng)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(yán)重影響進行預(yù)判，給出一個很好的對策。這是在聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程中所提出來的。這里面提出了三大核心問題：

第一個，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，另外一個是能源，由糧食和能源帶來的環(huán)境是不是可以承載?

前面各位院士都給出了預(yù)判，基本上大家都清楚。2030年，我們?nèi)螂娏π枨箢A(yù)計36萬億千瓦時，較2018年增長約47%。2050年預(yù)計達到約61萬億千瓦時，較2018年增長150%。接下來怎么弄呢?剛才是能源。

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

全球有九大表征點來表征氣候變化的啟動時機，現(xiàn)在比較危急的情況是，當(dāng)時人們認(rèn)為是5℃，但是現(xiàn)在為止，此時此刻，有一半表征點已經(jīng)啟動了，當(dāng)這個表征點啟動人的環(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，所以前面所說的碳中和是如此之必要，我們用一個國家戰(zhàn)略來做這件事情，是一個全球的事情。我們講到我們國家的“3060”，其實全球都提出了自己的目標(biāo)，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年實現(xiàn)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，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，通過清潔能源、綠色交通、循環(huán)經(jīng)濟、建筑節(jié)能、數(shù)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(tǒng)，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)電會議上，歐洲風(fēng)能協(xié)會發(fā)布一項研究報告，《我們的能源，我們的未來》，它的一個規(guī)劃或者愿景是2050年整個歐洲要建成450GW海上風(fēng)電，現(xiàn)在是20GW。這450GW做了非常詳盡的分析，這個分析從資源到電網(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。具體來看，如果我們大批量使用風(fēng)電，風(fēng)電帶來的具體效益是什么呢?這里舉一個例子，比如2018年在福建三峽興化灣風(fēng)電廠，一臺5.5兆瓦的海上風(fēng)機，它的年等效滿發(fā)小時數(shù)5226小時，年上網(wǎng)電量約2874萬千瓦時，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約3533噸，溫室氣體減排是9185噸，再造森林相當(dāng)于15307畝每年。

我們再設(shè)想一下，在粵港澳大灣區(qū)，如果說我們建六個這樣的千萬千瓦級海上風(fēng)電場，年等效滿發(fā)小時數(shù)4000小時的話，它的上網(wǎng)電量400億千瓦時每年，按照“十四五”大灣區(qū)的規(guī)劃，到2025年大灣區(qū)所有的用電量是7000億度電，如果是六個的話，如果真能實現(xiàn)的話，20%-30%的占比，是完全現(xiàn)實的。

今天這個主題非常好，未來能源，最核心的是依托于未來的技術(shù)發(fā)展。我們這里講到風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，其實整個技術(shù)發(fā)展也是有它的脈絡(luò)和它的規(guī)律的，正所謂人的發(fā)展有進化論，物競天擇，適者生存。對技術(shù)的發(fā)展也有一套內(nèi)在規(guī)律，其中美國的Brian Arthur寫過一本書《技術(shù)的本質(zhì)》，技術(shù)的本質(zhì)發(fā)展驅(qū)動的因素有三個：第一個是需求;第二個是組合;第三個是迭代。他是這么描述的，猶如自然界的生物進化，通過不斷的組合和迭代適應(yīng)環(huán)境，形成新的技術(shù)和創(chuàng)新經(jīng)濟，驅(qū)動整個社會不斷地發(fā)展。

在整個風(fēng)機進化過程中，荷蘭風(fēng)車大家都比較了解，到90年，風(fēng)機是借助于汽車行業(yè)很多的經(jīng)驗，研發(fā)出我們現(xiàn)代的一些風(fēng)機，現(xiàn)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(xiàn)在除了海上風(fēng)電之外，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電對可靠性要求高的話我們可以找到相應(yīng)的一些場景，比如它對航空器，也是類似的應(yīng)用場景。所以說，現(xiàn)在的海上風(fēng)電類似于航空器為本質(zhì)的裝備。大數(shù)據(jù)和智能時代要像類人一樣思考。

海上風(fēng)電進化的整個過程，其中有一個趨勢很明顯，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(xiàn)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。我進入風(fēng)電行業(yè)不久大家就問，這個風(fēng)電到底能有多大，其實當(dāng)時德國專家預(yù)測說，它這個是動態(tài)發(fā)展的過程，回答不了你這樣的問題。基于我的歷史預(yù)測，每十年風(fēng)輪直徑是要增加50米的，這個規(guī)律大概十幾年過去了，將近二十年過去，完美契合了。到今天為止達到將近222米，我相信過了十年之后它會達到將近300米，單機容量現(xiàn)在也達到15兆瓦，我們也會很快發(fā)布類似于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)機葉片越來越長越輕越好，發(fā)電量也得到越來越大的提升。

在風(fēng)輪捕風(fēng)系統(tǒng)凈化過程，Brian Arthur講到，技術(shù)凈化過程其中一個方法就是組合，我們要把汽車行業(yè)、航空、軍事各方面先進技術(shù)用在風(fēng)電上面，F(xiàn)1賽車從1948年到2020年發(fā)生了很多變化，其中在空氣動力學(xué)方面的一些進步我們都可以用在風(fēng)機上面。右下角是最新的NASA機智號，這個機智號是在地球以外的星體上第一個飛起來的航空器。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。這些在材料技術(shù)和空氣動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展都會被應(yīng)用在我們的風(fēng)電上，這是我們的飛機葉片，時間會越來越長，在氣動方面，夜間，10度，翼型，我們都會得到越來越好地發(fā)展，我相信很快葉片會達到100米以上。

除了葉片長度發(fā)生變化以外，在風(fēng)機變化過程中，它還是在不斷發(fā)展的，早期大家很少看到，其實有單葉片風(fēng)機，只有一支葉片，我們也有兩葉片風(fēng)機，現(xiàn)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，這也是未來的一個可能趨勢。

除了前面的這些結(jié)構(gòu)進步，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，后來叫高膜量玻璃纖維，也就是十幾年前，膜量從E6的40G帕，到現(xiàn)在我們用到E9的55G帕，我們后來用碳纖維，但碳纖維又太貴，我們把碳纖維和玻璃纖維進行混編，這樣的話讓我們的葉片越來越長，越來越輕，我們的發(fā)電量越來越多，從而有效降低度電成本。

前面講了補風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機是一個動力系統(tǒng)，現(xiàn)代風(fēng)機是怎么發(fā)明的呢?完全符合Brian Arthur講的那個規(guī)律，有點像可口可樂的發(fā)明，完全用船用齒輪箱加上船用的發(fā)電機，組合在一起，就成了一個現(xiàn)代風(fēng)機。在這個過程中，一開始是高速傳動，高速傳動過程中發(fā)現(xiàn)齒輪箱容易壞。是不是可以把直驅(qū)優(yōu)勢和高速優(yōu)勢混合在一起，我們稱為半直驅(qū)，這樣一個方案有很多好處，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?qū)煽啃砸蠓浅８?，同時，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，所以傳動量進化的越來越可靠。

除了傳動量，不得不講到智能控制，智能控制的進化過程，早期是簡單的PI控制，給你設(shè)定好了你怎么控制就怎么做，你想怎么做就怎么做，但是后來由于風(fēng)電是在復(fù)雜的外界環(huán)境當(dāng)中，我們有更先進的控制，稱為自適應(yīng)控制。在技術(shù)發(fā)展之后，特別是數(shù)字計算機技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)能力的快速發(fā)展，我們進入到基于模型的控制，其實現(xiàn)在很多講數(shù)字卵生技術(shù)，后面也會講到一點，都是依賴于我們計算的速度和儲存量大數(shù)據(jù)的發(fā)展?；谀Ｐ涂刂朴幸粋€非常好的設(shè)計，可以預(yù)測未來，預(yù)測你的下一步要做什么。大家講到智能，大數(shù)據(jù)智能控制發(fā)展，讓現(xiàn)在的風(fēng)機也更加聰明，前面講一臺風(fēng)機，現(xiàn)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，相互進行影響。

這里講到數(shù)字卵生技術(shù)，這里最大的一個好處是什么?隨著技術(shù)的發(fā)展，最大的好處是可以預(yù)測未來，這個未來可以是短時期的，也可以是中時期和長時期的。我們一直講智能，各種智能，進入智能時代，或者有人講智慧時代，智能也智慧，大家的解釋也不一樣，或者說不同的角度看問題。我從一個角度看，最重要的是你要能夠預(yù)知未來，預(yù)判未來，歷史上比較智慧的人是諸葛亮，因為他能預(yù)判到明天早上起霧，因此他能夠制定出草船借箭。所以智能時代，我們利用人治觀念技術(shù)，可以預(yù)判未來，未來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)等等各種場景，數(shù)字卵生技術(shù)時間原因不細說了。

整個風(fēng)場就會變得非常智慧。

前面我講了風(fēng)機大型化生長過程，補風(fēng)系統(tǒng)材料的進步，空氣動力學(xué)的進步，傳動鏈?zhǔn)菑母咚俚街彬?qū)，又螺旋回到中速的過程，以及智慧化的過程。另外一個進化，就是海上風(fēng)電，它的裝機。海上風(fēng)電比較早出現(xiàn)是一個裝機，隨著水深，單樁不行了，存在多樁基礎(chǔ)，在多樁基礎(chǔ)過程中，不同海域它的經(jīng)濟性是不是最好呢?也不一定，所以導(dǎo)管架就出現(xiàn)了，它適用的水域大概是40米、50米，甚至可能的話能到60米，但它是不是更經(jīng)濟呢?這和場景有關(guān)系。但是我們想，如果說當(dāng)水深超過50米之后怎么辦呢?所以現(xiàn)在其實是比較多的，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，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(nèi)合作伙伴合作的全國第一個漂浮式風(fēng)機，同時，漂浮式風(fēng)機有一個非常大的好處，使海上工程的問題變成我們岸上制造的問題，在未來我預(yù)期會使海上風(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，整個一體化融合起來，這里起到很多作用，第一是解決我們的清潔綠色能源的問題，波浪現(xiàn)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?nèi)诤掀饋砟?，因地制宜，是不是這個問題在一定程度上能夠解決呢?如果我們再把它和海洋牧場融合起來，我們和廣東省領(lǐng)導(dǎo)溝通的時候，說我們廣東省陸地面積20萬平方公里，海洋面積40萬平方公里，這40萬平方公里是你的嗎?從疆土上是你的，但也可以說它可能不屬于你，為什么呢?你有沒有技術(shù)去，海一直在那里，你有沒有去開采，有沒有去利用，但我們發(fā)展風(fēng)電技術(shù)過程中，海工技術(shù)大幅發(fā)展，這40萬平方公里海域就成為你的后院，你有空就可以去捕捕魚，養(yǎng)養(yǎng)魚，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(jié)合在一起，通過風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，我們不斷攻克臺風(fēng)問題、低風(fēng)速問題、水文地質(zhì)問題、漂浮式的問題，通過這種需求的存在，推動技術(shù)不斷發(fā)展。

技術(shù)驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展，經(jīng)濟反哺技術(shù)，未來能源這么一個要求，對新能源的要求，對未來的各種技術(shù)提出了要求，再使得各種能源技術(shù)才可能得到發(fā)展，否則的話你沒有機會，新能源一開始總是貴的，跟煤電沒辦法競爭，跟化石能源，但有這么一個機會，我們推動了技術(shù)發(fā)展，通過海工裝備、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)，這樣推動社會往前高質(zhì)量發(fā)展。

我們希望未來用清潔綠色能源部，智慧能源普惠全球，將來我們經(jīng)濟綠色能源不但是綠色可持續(xù)發(fā)展的，而且是更便宜的，這樣的話造福我們?nèi)祟悾麄€地球能夠得到可持續(xù)發(fā)展。