助力双碳战略 风电大有可为 ——“十四五”能源领域科技创新规划解读之十一
助力双碳战略 风电大有可为
——“十四五”能源领域科技创新规划解读之十一
国家能源局、科学技术部印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》（以下简称《规划》）指出，要构建现代能源体系，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系。为此，要加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，有序发展海上风电。虽然，我国风电事业发展取得了举世瞩目的成就，但与世界能源科技强国相比，我国能源科技创新还存在明显差距。要实现引领能源革命，以下几项重要的科技问题亟待研究和解决。
聚焦关键零部件、核心材料研发，补齐能源技术装备短板
风电叶片占据风电机组20%的成本，是风电机组载荷主要来源和吸收风能的主要载体。《规划》指出要突破超长叶片、大型结构件等关键部件设计制造技术。与欧美主要风能强国相比，我国在风电叶片设计和性能验证方面仍存在差距，部分原材料仍然依赖进口，主要体现在以下几个方面：
一是目前我国风力机叶片设计主要采用欧美已开发的风力机专用翼型。然而，我国的风资源与欧美地区存在较大差异。鉴于此，有必要根据我国风资源特点，综合考虑“高效、低载、变工况性能稳定”等设计目标，有效降低叶片对雷诺数和湍流强度等环境条件敏感性，结合叶片结构属性和低噪音需求，开发适用我国陆上和海上风资源的新一代风力机专用翼型族，为1万千瓦及以上级别的大型风电叶片研发奠定基础。
二是随着风电机组单机容量增加，叶片长度和柔性增加，气弹颤振速度逐渐降低，使得气弹稳定性成为叶片设计的重要约束条件。百米量级大型风电叶片几何大变形引起的非线性振动极为显著，且湍流风况下气动力非线性效应加剧了非线性耦合动力学行为的复杂性，严重危害机组安全运行。针对大型柔性叶片研制面临的气动与结构非线性耦合效应复杂、气动弹性稳定性机理不明确等问题，迫切需要突破大型柔性叶片非线性动力学高效计算和颤振准确预测的关键技术瓶颈，揭示复杂风况下大型柔性叶片非线性气弹耦合机理和颤振影响的关键因素，发展大型柔性叶片气弹耦合多目标联合优化方法，掌握超长柔性叶片的颤振抑制技术。
三是大型叶片结构几何非线性和三维应力效应更加突出，叶片结构强度由中小型叶片的材料强度控制为主转变为材料强度、胶接界面、屈曲稳定性多种破坏模式的耦合作用。传统的壳体模型和材料强度判定准则无法准确预测叶片结构的承载力，需要发展包含复合材料三维渐进失效、非线性屈曲以及胶接界面失效的实体单元模型。在验证叶片可靠性方面，传统的小型试样级实验和全尺寸叶片实验无法兼顾快速、准确以及经济性要求，需要发展叶片结构部件级测试技术、方法以及规范。
四是在核心材料应用方面，风电叶片先进碳纤维材料仍然大量从发达国家进口，国产碳纤维占比较少；轻木芯材受生长周期、生态环境以及外部环境的影响，完全依赖从南美进口，且时常无法正常供应。针对大型风电叶片结构对碳纤维材料的个性化需求，开发低成本、性能适中、工艺稳定的风电叶片碳纤维材料，研究风电叶片碳纤维材料复合材料成型工艺，加强国产碳纤维在大型风电叶片上应用、测试与验证研究，促进国产碳纤维材料在风电叶片的大规模应用。在合成泡沫芯材基础上设计创新增强结构形式，开发新型结构芯材，逐步替代进口巴沙木芯材，实现叶片高性能夹心材料降本增效与可控供给。
拓展风能利用新方向，重点突破风能利用领域原创性技术
《规划》中指出“能源领域原创性、引领性、颠覆性技术偏少，绿色低碳技术发展难以有效支撑能源绿色低碳转型”，为进一步拓展风能利用宽度，解决分布式能源就地消纳问题，推进风能利用技术转型升级，亟须推广风能热利用技术。风热机组是一种可以替代燃煤锅炉供暖并提高风能消纳能力的变革性可再生能源供热技术。目前国内已完成100千瓦级风热机组样机示范，理清了风热机组能量转化与传递规律，验证了该技术路线的可行性。下一步亟须开展兆瓦级的工程技术研究及相关示范，优化配置、提高风能利用效率、应对未来发展需求，要重点突破风热机组以下几个科学问题：
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