风力发电蓬勃发展拉动稀土磁体需求

● 王春笋 张安文/文

一、风能

风能是一种潜力大、清洁无公害的可再生能源。风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。在风能的各种利用形式中，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组，这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵。风力发电机组由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

依据目前的风车技术，大约每秒3 米的微风速度，便可以开始发电。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4 米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒5 米时，机组的输出功率仅为9.5 千瓦；风速为每秒6 米时，输出功率16 千瓦；当风速每秒8 米时，功率为38 千瓦；而风速为每秒9.5 米时，机组的输出功率为55 千瓦，由此可见，风力愈大，经济效益也愈大。

风力发电具有清洁、环境效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、装机规模灵活等优点，但它也有噪声、视觉污染、占用大片土地、目前成本略高和影响鸟类栖息迁徙等缺点。

二、风能市场

在全球节能减排和碳中和的绿色发展趋势下，风能作为一种清洁的可再生能源由于不需要使用燃料，且也不会产生辐射或空气污染，正在成为替代传统化石燃料的选项之一，风力发电正在世界上形成一股热潮。

全球风能蕴藏量远超过石油、煤炭的蕴藏量，地球上可以利用的风能被认为比可开发利用的水能总量还要大10 倍。全球风能资源技术开发潜力=全球电力需求40 倍。

中国的风力资源极为丰富，可开发利用的风能储量约1000 GW，其中，陆地上风能储量约253GW(以陆地上离地10m 高度计算)，海上可开发和利用的风能储量约750 GW。而且，中国风力资源的分布面非常广，绝大多数地区的平均风速都在每秒3 米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大;有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，利用风能具有得天独厚的条件。

纵观中国风电的发展历程，在2006年前中国风力发电处于萌芽和起步阶段。2006年，中国风电累计装机容量达到2.60GW，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机容量约6 GW。

2008年，中国风电装机总量超过7GW，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。同时也开启了国内风电白热化建设的时代。2009年，中国新增风电机组10129 台，容量13.8 GW，同比增长124%;累计安装风电机组21581 台，容量25.8 GW。

此后10年间，中国风电装机容量大体呈现逐年稳步递进的态势。2019年，中国新增风电并网装机容量25.74GW，其中陆上新增并网装机容量23.76GW，海上新增并网装机容量1.98GW。截至2019年底，我国风电装机容量达209.94GW，自2009年以来一直保持世界第一，占全球累计风电装机量的32.24%，图1 所示为2005 至2020年间中国风电装机总量和新增风电装机量的发展轨迹。

图1 中国风电总装机量和各年新增装机量统计(GW)

国家能源局2021年1月20 日公布了2020年全国电力工业统计数据。数据显示，2020年新增并网装机容量71.67GW，创下历史新高，超过2017（15.03GW）、2018（20.59GW）和2019年（25.74GW）三年新增并网装机规模的总和61.36GW，但是根据国家能源局数据，2020年1～11月新增风电装机24.62GW,这意味着仅2020年12月的风电新增装机容量高达47.05GW，比2018、2019 两年装机总和还要多，参见图2 所示的2020年1～12月中国新增风电装机量。

图2 2020年风电月新增装机容量（GW）

补贴退坡刺激及海上风电发展提速的双重影响是造成12月装机容量突然猛增的原因。2019年5月25 日，国家发改委发布了《关于完善风电上网电价政策的通知》，其中明确：2018年底之前核准的陆上风电项目，2020年底前仍未完成并网的，国家不再补贴。在去补贴政策刺激下，风电行业陷入了疯狂“抢装”。为确保项目收益，风电和光伏开发商竭尽全力要在2020年底并网，所以2020年12月的风电新增装机数据并不具有常态数据的意义。

2020年12月风电新增装机量的井喷也使我国2020年风电累计装机总量从2019年刚超过2 亿千瓦(200GW)，直接增长到接近3 亿千瓦(300GW)，而风电和光伏累计装机总容量高达5.3 亿千瓦(530GW)。截至2020年底，全国电力总装机容量约22 亿千瓦(2200GW)，也就是说，风电和光伏装机占比已经高达24%，也意味着高比例新能源电力时代已逐步来临。2020年风电、光伏新增装机接近1.2 亿千瓦(120GW)，约占全国新增发电装机的62.8%，水电、风电、光伏发电、生物质发电装机容量，均居世界首位。

2020年风电发电量4665 亿千瓦时，同比增长约15%，几乎相当于4个三峡电站2020年的发电量！2008～2020年中国风电发电量数据参见图3。

图3 2008～2020年中国风力发电量（GW-h）

三、风电布局

从风电建设的布局结构来看，过去风电开发主要集中在风资源较好的“三北”地区，随着近几年大兆瓦机组、长叶片、超高塔筒等应用推广，平原地区、低风速地区也具备了开发条件。2020年风电新增装机中，中东部和南方地区占比约40%。（“三北”地区指我国的东北、华北和西北地区，东北包括黑龙江、吉林、辽宁；华北包括北京、天津、河北、山西、内蒙古；西北包括陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆。）

中东部和南方风电建设的增加是海上风电份额逐渐提升的主要原因。近年来，由于我国陆上风电的建设技术已日趋成熟，加之海上风电资源更为广阔，开发条件好，国家风电发展政策逐渐向海上发电倾斜。据国家能源局统计数据显示，2013年以来，我国海上风电市场份额稳步提升，2013年，海上风电累计装机容量为0.45GW，仅占总体风电累计装机量的0.58%，到2020年，增长至3GW，占总体的4.23%。2020年，三北地区新增装机与中东部和南方地区新增装机持平;利用水平进一步提升，风电利用率97%，同比提升1 个百分点。未来五年，海上风电有能力实现规模化、平价化发展。图4 所示为2013～2020年中国陆上风电与海上风电的新增装机比例。

图4 2013～2020年中国陆上风电和海上风电新增装机比例（%）

在开发成本方面，发展到目前阶段，风电的性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于:装机能力每增加一倍，成本就下降15%，从多年前风力发电最便宜八毛钱一度，有的甚至要两元左右，降到如今我国大部分地区尤其是新建的风电陆上项目不再需要补贴，风资源好的一些地方，价格甚至比煤电还低。目前在我国“三北”地区，风电电价已基本实现为0.16 元，已具备与火电比拼成本阶段。到2023年“三北”风电成本有望实现0.1元左右。

从风机的制造商角度讲，中国风机整机制造产业市场集中度稳步提高，前五大整机制造商吊装容量高达21.7GW，共占据76%市场份额。金风科技，远景能源，明阳智慧能源稳居前三，运达风电、上海电气分列第四、第五。根据国际能源署的数据，中国已经拥有世界上1/3 的风力发电、全球十大风力涡轮机制造商中的4 家。表1 列举了中国市场上的主要风机制造商。

表1 中国市场主要风机制造商

四、稀土永磁在风电中的应用

中国风力发电的蓬勃发展得益于将稀土永磁材料和技术应用于风力发电系统中。

风力发电机组是风力发电系统中最关键的部件。在风力发电机组中，永磁直驱风力发电机在传动链中不含有增速齿轮箱，仅仅依靠增加磁极对数使得电机的额定转速下降达到转速调节的目的。直驱永磁发电机省去了风力发电系统中的齿轮增速箱，即所谓的直驱，减小了发电机的维护工作并降低噪声；它不需要励磁装置，磁绕组转子上也没有集电环和电刷，因此具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好、变速运行范围宽等优点；同时永磁直驱风力发电机采用全功率的交-直-交变频技术，与电网隔离，具有低电压穿越能力，对电网友好，易于并网。

在风力发电市场中，结构简单、运行可靠、机械损耗小、运行效率高、维护成本低是稀土永磁直驱风力发电机得到越来越多市场青睐的制胜优势，使之成为重要风力发电机型，逐渐在中小型风力发电机中得到广泛应用。尤其适合用于单机容量比较小的风场，能够高效并网发电，以及风力资源丰富但电力设施匮乏、交通不便的地区，例如为高速公路照明设备提供电源等。

2008年新疆金风科技股份有限公司生产出数百台1.5MW 的直驱式永磁风力发电机，经过数年的发展，中国的永磁风力发电机的整体水平已走在世界前列。稀土永磁发电机的使用量逐年增长，图5 所示的是2015～2020年中国新增永磁直驱发电机组的用量。

图5 2015～2022年中国永磁直驱式风力发电机新增装机容量（GW）

永磁直驱发电机组安装量的稳步增长也进一步推动了稀土永磁体在风力发电领域的增长，2013～2020年中国新增风电装机量以及稀土在风电领域消费量的参照对比见图6。举例而言，金力永磁是国内有代表性的为风力发电企业提供永磁体的磁材制造商，根据其公司2020年半年度报告，金立永磁2020年上半年在风力发电领域收入达到3.76 亿元。

图6 2013～2020年中国新增风电装机量及稀土在风电领域消费量参照对比

五、发展趋势

风电行业发展趋势将是不可逆转的。按照“十四五”规划中清洁低碳、安全高效的能源发展方向，中国将推动水电、风电、太阳能发电、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源向更大规模、更高比例、更高质量、更低成本发展，同时与储能、氢能等产业融合发展。根据《新时代的中国能源发展》白皮书，中国将兑现“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的承诺，实现到2030年“风电、太阳能发电总装机容量将达到12 亿千瓦以上”的目标。根据国际能源署的估算，未来20年，中国将在低碳发电和其他清洁能源技术方面投资预计超过6 万亿美元。中国在清洁能源基础设施方面的支出已超过了美国和欧盟的总和。从长远来看，到2023年，可再生能源预计将占到全球新增发电量的70%以上。考虑到全球约50%的能源可能来自太阳能和风能，中国似乎有望成为世界上第一个清洁能源超级大国。

中国目前已开发的风能资源仅占其蕴藏量的不足5%，而且风电相对于光伏有一个优势，是同样发电效率和发电量，光伏占地面积是风电的200～500 倍，因此未来风力发电建设还有更广阔的发展空间。据国家能源局新能源和可再生能源司副司长任育之表示，接下来要以更大力度推动风电规模化发展，推进风电技术进步和产业升级，继续健全完善风电产业政策、促进风电容量消纳、推动规划政策协同以及体制和机制创新，为风电高质量发展创造良好条件。

最近约400 家风能企业，发表了“风能北京宣言”，提出在“十四五”规划中，应为风电设定与碳中和国家发展战略相适应的发展空间：保证年新增装机大于5000 万千瓦。“宣言”认为今后以零碳为目标的中国投资市场将集中于六大领域，即循环经济，氢能、数字化、储能、零碳发电技术、终端消费电器化。风电和光伏发电是零碳发电技术的重要措施。“宣言”提出2025年后年新增装机容量大于6000 万千瓦，2030年风电累计装机量达到8亿千瓦，2060年达到30 亿千瓦。

在这个意义上说，作为风力发电产业的重要部件材料，稀土永磁体的市场未来也必定会随之有大幅的增长。