最新消息是，科技巨頭谷歌公司的產品研究部門GoogleX負責人對外表示，他們研發的“發電風箏”有望在4月正式飛天。事實上，谷歌在2013年時收購了一家風力發電創業公司，宣布涉足風電。近10年，世界風電裝機年均增長31.8%，成為全球最具吸引力的新能源技術。

任何行業的競爭都已經是全球性的。在國際科技巨頭搶灘風電市場的同時，國內風電企業近幾年也在苦練內功。其中，成立于2007年的國電聯合動力技術有限公司已經成為全球第六大風電設備制造及整體解決方案提供商。“聯合動力的發展與風電設備及控制國家重點實驗室提供的技術支撐密不可分。”聯合動力總經理、實驗室主任褚景春告訴科技日報記者。

風電設備及控制國家重點實驗室于2010年5月由科技部批準建設。該實驗室以風電設備及控制技術研發為中心，以研究解決我國風電產業重大共性、關鍵技術難題為主攻方向，以提高風電產業自主創新能力及核心技術競爭力為責任，為我國風電產業實現從“技術引進”到“技術引領”的跨越奠定堅實基礎。

瞄準行業共性問題 攻克風電核心技術難題

我國的風力發電始于20世紀50年代后期，初期主要是為了解決海島和偏遠農村牧區的用電問題，重點在于離網小型風電機組的建設。上世紀70年代末，我國開始進行并網風電的示范研究，并引進國外風電機組建設示范風電場，1986年，我國第一座風電場——馬蘭風力發電場在山東榮成并網發電，成為了我國風電史上的里程碑。

“大概在2002年左右，我國開始大規模發展風電，但當時的功率比較小，大部分是定速、定槳的設備，設備以進口為主，更重要的是，國內風電設備制造企業并不掌握核心技術。”聯合動力副總經理、實驗室常務副主任馮健告訴科技日報記者。

進口設備價格昂貴、核心技術缺失制約企業發展及后續服務……這些因素使得國電聯合動力成立之初就瞄準風電設備核心技術的消化吸收進而自主研發。這也是此后依托聯合動力成立風電設備及控制國家重點實驗室的初衷。

“風電機組制造技術涉及力學、機械制造、電力電子、電力系統、自動控制、材料等多個專業學科，依托聯合動力，重點實驗室在風電機組整體設計、風輪葉片氣動性能和新材料應用研究、風電機組控制系統及并網技術、機組降載優化等方面做了大量基礎研究，使我國風電機組制造技術由過去主要靠引進發展到引領，并掌握了關鍵核心技術。” 褚景春說。

基礎研究支撐風機設備全產業鏈

“風電機組控制的一大挑戰在于風作為一次能源的存在形式具有不穩定特性，風向、風速都處于多變狀態，風電機組控制系統設計時要考慮對這種不穩定性的適應能力，比如在山地風場就會經常出現因風速和風向的急劇變化導致風電機組超速故障或頻繁對風偏航，既影響機組安全運行又影響發電量。另一方面，風電機組作為一個巨大的旋轉設備受到動態載荷的影響非常復雜，為了克服沖擊和疲勞載荷，風電機組本體各部件、塔筒和基礎要有足夠的強度，如何實現載荷的精準把握，在成本和安全之間尋求最佳平衡點，也是一個重要課題。”馮健說，在這方面，重點實驗室應用仿真和測試技術，不斷探索，最終尋求出解決方案。

以2兆瓦115機型為例，他們通過自主研發的降載技術，使得風機的支撐結構塔筒的重量比初步設計減少了30噸。這意味著業主對每臺機組的投資成本降低約30萬元，以一個5萬千瓦的風場為例，其建設成本則可減少800多萬元。

隨著風電機組單機容量的不斷增加和低風速市場的開拓，風電機組的葉片越來越長、越重，相應的是，運輸及安裝都面臨更高難度。因而，一方面要研究高效翼型，提高風能轉化為機械能的效率;同時在葉片結構和材料方面要有突破，比如分段葉片的設計、碳纖維材料的應用等就成為一個重點。在這方面，該實驗室聯合中科院相關科研單位，共同承擔了科技部863項目，開展了高效翼型的研究，通過建立高雷諾數風力機專用翼型氣動數據庫，并對原有氣動力數據進行修正，完成大尺度葉片氣動外形設計與優化，提高葉片的強度與剛度，降低葉片的重量，并且提出了葉片分段分離面的連接創新方案，所設計的葉輪最大氣動功率系數達到0.506，整機最大風能利用系數達到0.48以上，均達到國際領先水平。首次在國內第一臺自主研發的6MW機型上使用碳纖維來制造超大型葉片，此前的葉片材料主要是玻璃纖維。

實驗室還針對高海拔、寒冷地區等特殊氣候條件的風電機組設計進行了專門研究。“我們研發的葉片防冰凍技術已經在貴州、山東等地應用，一個冬天的測試證明效果很好。”馮健說。

尤其值得一提的是，該實驗室承擔了科技部863項目——“超大型超導式海上風電機組設計技術研究”，是國內首次涉及10MW級以上風電機組設計的項目，屬于科技部“十二五”期間重點科技項目。考慮目標機組12MW超大容量的特點，項目采用了超導式直驅發電機的技術路線，發電機的設計效率達到96%，重量比同容量永磁同步發電機減重30%以上。同時，考慮該機組兼具“超大容量”及“海上風電”的特點，課題還完成了海上風電機組高可靠性設計，目標為實現年度計劃維護一次，最大程度減少機組的非計劃停機。在主控系統設計中采用了基于支持向量機技術的陣風判斷和先進監測系統設計等一系列創新性的新技術。這些成果將顯著提升我國風電機組設計水平，使我國風電機組設計的創新能力和國際競爭力躍上一個新臺階。

打造數字化風電場助設備制造商轉型

在風機產能總體過剩，行業洗牌接近尾聲的情況下，風電服務市場已經成為各方逐鹿風電產業的“第二戰場”。而決定輸贏的關鍵也從能否提供更便宜的價格變為能否擁有性能、質量和服務的綜合實力。

在國電聯合動力北京本部的運行技術中心，偌大的“云平臺”顯示屏上，分布在世界各地的國電聯合動力機組運行情況一覽無余。技術人員介紹說，一旦有設備出現問題，通過“專家在線會診—現場服務人員介入”模式，國電聯合動力后臺技術專家與現場服務人員實現無縫對接，提升了現場問題分析判斷和處理的快速響應能力。

“以前風場出故障了，工作人員需要去現場才能發現問題，而在數字化風電場，我們遠程就能看到。隨著實時狀態診斷模塊的不斷開發完善，我們可以對風電機組各部件的亞健康狀態及時發現，在風小的時候集中處理，最大程度上減少發電損失。”馮健說。

有數據顯示，目前全國每年需要風機1800萬千瓦，產能過剩約在40%左右，在這種情況下，未來風電整機制造業在競爭中利潤不斷降低，風電制造企業一方面要靠科技創新突破來根本上提高利潤空間，而服務市場的拓展將成為企業持續盈利的關鍵。

“你看我們實驗室名字里有一個關鍵詞是‘控制’，這也是今后我們研究的重點方向之一，怎樣讓風力發電更智能、讓風電場整體實現數字化運行的管控模式。”馮健表示。

■一線對話

離產業近一些，再近一些

記者：依托企業建設的國家重點實驗室的共性是與產業緊密結合，請問您在這方面有哪些體會?

褚景春：我在高校工作過，對這方面感觸很深。現在的高校和科研院所也越來越注重與產業需求的結合，但不可否認，企業畢竟在一線，我們實驗室的課題全部來自于行業和企業在發展中遇到的難題。國電集團是全球最大的風電開發和運營商，聯合動力作為旗下的風電制造企業，能夠及時深入了解和提煉風電產業各個環節的需求，能迅速嘗試技術研發中的一些新創意。而這些新創意的實際效果怎么樣，會遇到什么問題，也會很快反饋到實驗室進行研究。

我認為設立在企業中的國家重點實驗室確實為行業、企業的核心技術研發提供了重要的平臺和支撐。

記者：作為主任，您堅持什么樣的實驗室建設理念?

褚景春：我們的實驗室建設以風電產業發展需求為導向，緊密關注基礎學科領域的最新研究成果，深入開展應用技術研究。在建設過程中堅持三個理念：

一是堅持核心技術自主創新理念。加強創新文化建設，激勵研發人員的創新創造意識，并從科研經費、實驗條件、對外交流、團隊建設等方面給予充分支持;

二是堅持“產學研”協同創新理念。加強與國內外科研單位、高等學校、產業鏈的技術合作，共同開展基礎理論研究，解決技術難題;

三是堅持以技術為支撐的平臺發展理念。把重點實驗室建設成為我國風電產業技術研發中心、服務中心、信息中心和人才培育中心。

記者：請您介紹一下實驗室未來一段時間的規劃。

褚景春：李克強總理在調研聯合動力時說：“聯合動力，代表著清潔動力和其他動力的混合，提供的是綠色和可再生能源，這是未來發展方向。要聯合國內和國際，形成綠色發展的聯合動力。”按照總理的指示，我們的實驗室將緊密圍繞風電產業發展需求，打造出一流的團隊、研究出一流的成果、開發出一流的產品。

在團隊建設方面，我們立足于“用好現有人才、引進急需人才、培育未來人才”的思路，采用“請進來、走出去”的形式，對現有研發人員實現綜合培養，增強現有人才的理論水平和專業素養，為研發人員提供自我發展和科技創新的機遇與條件。

在技術研發方面，針對低風速、高海拔、防冰凍等特定自然環境展開關鍵技術問題攻關，針對分布式能源發展需求展開分散式并網技術研究，針對于度電成本最優尋求技術創新突破，基于能源互聯網和工業4.0理念開展先進制造服務的技術研究。

在產品開發方面，緊密跟蹤市場需求和技術進步，加快開展大兆瓦風電機組的研發及制造進度，打造高可靠性的陸上、海上風電機組，開發全新的風電機組控制系統以實現風電場數字化運營。

記者：您對企業國家重點實驗室的建設有什么建議?

褚景春：我們希望國家在科技項目立項和高端人才引進方面給予企業承建的國家重點實驗室大力支持。