巨型涡轮机似乎将定义未来十年的海上风能行业。 Haliade-X作为第一台巨型涡轮机，由总部位于法国巴 黎的GE可再生能源公司（GE Renewable Energy）设计 和制造，高260 m，转子直径为220 m，其长达107 m的 叶片扫掠面积达38 000 m2 （图1）。原型机建在荷兰鹿 特丹的港口边（图2），其最初是一台12 MW的机器（后 来被优化为13 MW）。这台涡轮机在2019年11月生产 了首个毫瓦时的电力，并于2020年11月获得行业认证。 该公司称，目前Haliade-X的发电量比其他海上风力涡 轮机的发电量多45%，年发电量高达67 GW· h，足以 为16 000个家庭供电[1]。

《图1》

图1. Haliade-X是目前世界上最大的海上风力涡轮机，可为大约16 000个欧洲家庭供电。图片来源：GE Renewable Energy，经许可。

《图2》

图2. Haliade-X的原型位于荷兰鹿特丹的港口边。图片来源：GE Renewable Energy，经许可。

在海上安装的第一台Haliade-X涡轮机将是13 MW版本，安装位置在距英格兰东北海岸约130 km的北海 Dogger Bank风电场。该项目在前两个阶段订购了190 台涡轮机，第一台涡轮机于2022年安装。第三阶段， 即最后一个阶段，将安装14 MW版本[2]。按照目前的 计划，该风电场将成为世界上最大的风电场，每年发 电18 TW·h，为600万英国家庭供电。

Dogger Bank风电场商业总监Simon Bailey说：“更 大、更高容量的涡轮机减少了所需的涡轮机数量，并使 得从安装到运行和维护的效率更高。我们必须加大其他 许多组件的尺寸，包括安装船，并且它们不会比Voltaire 自升式船大。”Voltaire自升式船由比利时土木工程公司 Jan de Nul制造，其在完全伸展时，从位于海床上的腿 底部到起重机顶部可达325 m（比埃菲尔铁塔还高一些）， 并且可提升3000 t的重量（图3）[3]。

《图3》

图3. 比利时Jan de Nul集团制造的Voltaire自升式船。2022年，该船将被 用于安装第一台商用Haliade-X涡轮机（位于北海的Dogger Bank风电场）。 图片来源：Jan de Nul Group，经许可。

对投资者和电力公司来说，大型涡轮机最具吸引力 之处在于其平准化能源成本（LCOE）的结果，即在涡 轮机大约25年的使用寿命内每单位电力所需的平均收入 用于收回建筑和运营成本。从本质上讲，这些涡轮机是 “规模经济”（economies of scale）。

2020年，GE可再生能源公司在已投产的风力涡轮机 装机容量（陆上和海上相结合）方面位居全球首位，该地位之前由位于丹麦奥尔胡斯的能源公司Vestas占居[4]。 然而，总部位于西班牙Zamudio的Siemens Gamesa公司以 大约2/3的海上装机容量引领海上市场。作为对Haliade-X 的回应，2020年5月，该公司宣布推出一种新的直接驱动 涡轮机：14 MW SG14-222 DD，其转子直径为222 m，仅 比Haliade-X宽2 m。该原型机计划于2021年年底在丹麦 北部的Østerild完成，预计在2024年投产[5]。

与此同时，位于中国广东省中山市的明阳智慧能源 集团股份公司拥有一台相当大的涡轮机，即MySE11- 203。该公司计划在2021年完成这款11 MW涡轮机的原 型制造（其转子直径为203 m，采用碳玻璃混合叶片）， 并承诺在2022年投入商业使用[6]。为在这个日益集中 的领域中占有一席之地，Vestas公司于2021年2月宣布 了其巨型涡轮机的计划。Vestas公司的V236-15.0 MW 涡轮机的转子直径为236 m，是世界上最大的涡轮机。 其原型机将于2022年建成，商用机则于2024年开始生 产[7]。

要了解海上电力的发展程度，请参考1991年位于丹 麦海岸附近的世界上第一个海上风电场Vindeby中的11 个涡轮机的单个装机容量：450 kW [8]。到2019年，海 上涡轮机平均装机容量已增加到7.2 MW。根据位于比 利时布鲁塞尔的国际风电行业贸易协会全球风能理事会 （Global Wind Energy Council）的数据，到2025年，海 上涡轮机平均发电量将达到10~12 MW，这在很大程度 上归功于Haliade-X及即将问世的竞争产品。

随着海上涡轮机规模的扩大，其在风能市场的份额 也在扩大。2009年，海上涡轮机装机容量仅占全球新增 风电装机容量的1%。而到2019年，新的海上涡轮机装 机容量则占了10%。就运行中的总装机容量而言，目前海上涡轮机装机容量为35 GW，约占总风电装机容量的 5% [8]，相当于避免了6.25×107 t二氧化碳的排放，或 减少了超过2000万辆汽车上路所带来的尾气排放[9]。 此外，2020年是海上风电新增融资创纪录的一年，融资 规模超过15 GW。这比2019年的纪录高出50%以上，是 2012年融资金额的15倍[4]。

这一增长在很大程度上反映了欧洲风电装置安装量 的稳步增长。然而，在过去三年中，中国每年新增的海 上风电装置规模一直处于世界领先地位。2020年，中国 安装的海上风电装置的容量约3 GW，是全球新增装机 容量6 GW的一半[9]。美国在海上风电发展方面进展缓 慢，但在2021年3月，拜登政府宣布“快速启动”采购 计划，力争到2030年建成30 GW海上风电装机容量的国 家目标[10]。

这一阶段似乎为下一个十年奠定了基础。除此之 外，海上涡轮机可能有多大？英国海上可再生能源推 进中心（Offshore Renewable Energy Catapult，致力于海 上可再生能源的技术创新和研究）的测试和验证总监 Tony Quinn，负责在推进中心位于布莱斯的设施中测试 Haliade-X叶片和机舱（图4）。Quinn说：“对于未来几 代涡轮机，尺寸越大不一定越好。与最大尺寸相反，最 佳尺寸是LCOE收益的函数。如果叶片的设计没有任何 变化，那么捕获的能量会随着叶片长度平方的增加而增 加，但叶片的重量会随着其长度立方的增加而增加。这 意味着叶片的成本增加速度快于功率输出。然而，对于 涡轮机部件的其他方面，规模经济的正常规则适用，因 此我们应该考虑整个系统。”

《图4》

图4. 长达107 m的Haliade-X叶片抵达位于布莱斯的英国海上可再生能源 推进中心，开始独立测试。图片来源：Offshore Renewable Energy Catapult，经许可。

位于丹麦日德兰半岛中部的Siemens Gamesa公司的 高级产品经理Peter Esmann提出了不同的担忧：“从业务 案例的角度来看，没有理由不扩大规模。首要的潜在瓶颈是安装船的大小。我们关心的是涡轮机塔架的提升。 新一代涡轮机需要一艘带有起重机的船只，可以一次性 将塔架提升到高于海平面140 m的轮毂高度（发电机所 在的位置）。”换句话说，如果涡轮机变得更大，就没有 实际的安装方法。

但是风力发电不仅仅要扩大规模，各种新的风力发 电技术也正在开发，旨在填补较小的利基市场[11,12]。 这些技术包括使用系绳“风筝”从高空风中产生能量以 及使用缠绕在路边灯柱周围的涡轮机（由过往汽车排出 的空气提供动力），甚至无叶片涡轮机，即“skybrators”， 通过涡旋脱落的风现象，前后摆动产生能量[13,14]。在 这些较小的规模市场上，未来有大量的工程创新。

总的来说，尽管巨大的海上涡轮机浪潮即将到来， 但Quinn表示，我们不应期望涡轮机尺寸会很快出现进 一步的飞跃。他说：“涡轮机尺寸的快速增长正在逼近 材料科学和可制造性的边界，规模的阶梯变化不仅带来 技术挑战，也带来供应链能力和产能的挑战。”