风力发电数字化发展与技术创新

风力发电数字化发展与技术创新

李国栋

国电电力山西新能源开发有限公司 037000

摘要：随着常规能源过度消耗和环境污染问题日益突出，能源安全与环境保护的压力使得各国政府加大了对可再生能源的投入。风力发电是可再生能源中技术最成熟，最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，世界上很多国家都对风电开发给予了高度重视。中国的风电产业相比储量丰富的风能资源来说，目前还处于弱势地位。要发展中国的风电产业，技术创新是关键。

关键词：风力发电；数字化；发展；技术创新

引言

随着中国社会经济的发展，对能源的需求量也日益增加，进入21世纪以来，全国范围内的能源短缺问题凸现，煤炭、石油等常规能源供应全面紧张，能源供应不足已成为目前制约我国经济持续发展的重要因素。在国内倡导节能减排的大背景下，寻找一种清洁的、储量丰富的后续能源就成为缓解中国能源危机的有效途径，开发和利用可再生能源也是解决中国能源和环保问题的重要战略措施之一。

1研究背景

近年来，风电行业发展迅猛，风力发电已成为重要的发电方式。随着电价平价时代的来临，企业不得不将重点放回降低成本，但是物料成本是客观存在的，风力发电机维护工作环境复杂，运维的危险性决定了运维成本无法降低，因此从传统渠道降低成本存在困难。长期来看，风电行业高质量发展将成为业内关注和研究的重点内容，平价上网需要通过技术创新与竞争来推动。只有突破技术瓶颈，才能推动研发出更加先进的风力发电机产品，提高可靠性与发电效率，逐步实现智能化，进而提高全生命周期性价比，从根本上降低风电项目各环节成本。当然，技术的革新是一个缓慢过程，需要通过新的技术手段激发创新活力。就此，笔者对风电企业的数字化基础建设进行研究。

2数字化应用前景

数字化技术包括产品数据管理系统、基于模型的定义技术、数字双胞胎、管理信息系统、云技术等。波音公司通过基于模型的定义技术的应用，将三维制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中，明显缩短了研发设计周期，提高了设计正确率，使产品加工、装配、测量、检验等实现高度集成，数字化技术的应用产生跨越式发展。我国大飞机项目的设计和制造也正在逐步实施和应用基于模型的定义技术，这一技术给飞机的装配带来实质性变革。数字双胞胎指以数字化方式复制一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程，乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高企业产品研发、制造的效率。西门子公司借助数字双胞胎技术，实现了从产品研发、设计、生产到服务的全过程虚拟仿真，从而提高了生产力、可用性和过程可靠性，优化了加工精度和维护、服务模式。

3风力发电技术创新的制约因素分析

倡导节能减排是世界范围内的发展趋势风能作为一种清洁能源已经成为我国主要的可再生能源。然而我国的风力发电产业在技术水平、市场规模等方面的基础比较薄弱在一定程度上制约了风电产业的可持续发展。由于产业研发投入不足导致了国内大部分厂商市场份额偏小难以满足风力发电市场需求。因此加大技术创新力度选择适合我国风力发电产业现状的技术创新模式具有重要的意义。

3.1路径依赖的影响

由于能源业界的“路径依赖”效应,使得成熟的传统能源技术被持续地大规模推广应用并限制了风力发电能源技术的发展和扩散从而导致风力发电产业短时间内难以撼动传统能源的主流地位。由于目前我国风力发电的上网电价比一般火电价格高。价格因素压缩了中国风电市场的需求，电网公司没有大规模收购风电的积极性，这种情况对风力发电产业的技术创新构成了较大的影响。

3.2研发投入过低

在我国，风力发电产业整体上还处于起步阶段。我国对风力发电产业研发的投入目前尚显不足，虽然有不少资本已经进入此行业，但是大都投向了具体的项目建设而非研究开发和技术攻关。以上这些因素限制了我国风电产业技术创新和发展的速度。

3.3市场门槛过高

（1）成本方面，风力发电产品的成本过高的现实已经成为扩大产业市场规模的阻碍。当前，以单位发电量来计量，我国风力发电的成本是火电的2倍。此外，风力发电设备的使用寿命、维护管理以及风力资源等因素均对我国风电发展造成了影响。风力发电的固定资产与火力发电相比其折旧费高出1倍而发电系数只相当于后者的50％因此，收回投资的难度较大周期较长难以在短期内形成规模。

（2）营销方面只有在产品的需求侧加强税收,激励和绿色能源的引导,才能使风力发电克服障碍,顺利进入市场,形成规模经济,降低成本。由于我国营销渠道发展尚不成熟风力发电技术的扩散阻力较大,行业门槛高,不少企业由于自身技术能力的限制,难以在自主创新方面形成突破。

4风力发电数字化发展与技术创新策略

4.1数字化技术提升全生命周期发电量

在风电场开发阶段，基于大数据和云计算，针对风电场中的风能资源、地形地貌进行精细化分析研究，能够有效提升风能资源评估的准确性，选取最优机型及控制策略。借助该优化平台，能够实现微观选址的自动寻优，根据风电场的地形和风能资源特性，制定最优机组排列解决方案，实现大规模定制化开发，赢得成本、时间、质量、可拓展性、集成度方面的优势。另一项通过数字化技术提升风电全生命周期发电效益的典型示例为风电机组的寿命预测，从而实现延寿。传统的陆上风电机组的设计寿命大多为20年（也有25年的，以设计参数为准）。这个寿命是基于设计中的理论环境模型评估得到的，但实际风电机组在运行过程中所处的环境是变化的，风电机组在实际运行中是否已达到该寿命，可以借助数字化的手段进行科学的评估。载荷计算器可以基于机组自运行数据，采用整机模型分析方法和载荷传递机理，构建基于机组自运行数据到载荷的映射函数关系，实时获取并记录叶根、轮毂、塔筒顶部载荷时序，为变桨和偏航系统承载分析提供基础。

4.2数字化技术降低成本

风电场工程投资由设备及安装工程费用、建筑工程费用、其他费用、基本预备费、预备费和建设期利息等。其中设备及安装工程费用、建筑工程费、这记方面费用作为初始投资成本可通过前期风电场的规划设计介入，采用数字化风电场解决方案来实现成本的有效降低。数字化风电场解决方案将整合投资方（需求、优化目标、建设运行经验）、设计院（风电场约束条件）、设备商（对风电机组特性的把握）三方优势，融合选址与选型，依托高效的计算引擎，基于设计目标和模型快速生成多套候选解决方案；更好地关注目标，将繁琐的优化设计工作转化为对目标及约束条件的规划设计。对设备商而言，数字化可以带来整个制造产业价值链的整合，风电企业数字化是从产品设计、生产规划管理、生产制造直至运行、服务各环节打造统一、无缝的数据平台。形成基于数字模型的虚拟风电机组模型和基于自动化技术的现实风电机组镜像，通过虚拟环境中优化、仿真和测试，可同步优化整个设计流程甚至企业流程，最终打造高效的柔性生产，实现快速、创新的新产品设计研发过程。作为设备商需要借助数字化技术的融合实现多方创新：首先，依托成熟的风电全产业链布局，实现整机与叶片、发电机、齿轮箱、变流器、减震器件等关键零部件的数字化联动设计；整合多方资源，打造以智能设计、智能制造、智能试验为核心的全产业链数字化风电机组。

结语

只有加强技术创新，才能保证我国的风力发电产业良性、健康的发展。要正视我国在风电产业总体上与发达国家的较大差距，结合风电企业的规模和具体特点，积极构建合理的创新模式，实现产业跨越发展。

参考文献

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[2]周鹤良.我国风力发电产业发展前景与对策[J].电气技术,2006(6)

[3]杨秀媛,梁贵书.风力发电的发展及其市场前景[J].电网技术,2003(7)