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1、2目录3（一）研究背景与意义：国家提出“国内大循环、国内国际双循环”、“3060碳达峰、碳中和”3月16日，习总书记明确提出构建以新能源为主体的新型电力系统国家危机近两年中美紧张关系不断升级，美国的石油霸权、美元霸权阻碍中国的经济发展国家能源安全隐患巨大中国在石油、天然气等能源的进口依赖度居高不下（70%）中国开采石油成本40美元/桶，是沙特9美元的4倍以上科技进步、人民生活水平提高推动能源需求快速提升国内能源供给结构不科学、不可持续以化石能源为主，占比大约84%，煤占57.7%，油约18%，天然气8.2%，非化石能源是15.3%南海岛屿争端、俄乌战争等中国地缘政治压力增加1234我国经济增长

2、压力大，以及全球气候问题严峻54（一）研究背景与意义我国碳排放量的历史趋势和未来规划一次能源消费总量及结构（来源：全球能源互联网发展合作组织）新能源发展规划：非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到以上 到、，风电总装机分别为、和千瓦；风能到约占一次能源消费总量，到约占 2020年约100亿吨（全球1/3）5（一）我国风能发展现状n2021年3月4日国家联合发文：超前谋划好远期电力接续n2021年10月24日关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知：完善海上风电产业链，鼓励建设海上风电基地n2022年4月2日，发布“十四五”能源领域科技创新规划：开展深远海域海

3、上风电开发开展超大型海上风电机组工程示范2022年6月1日，联合发布“十四五”可再生能源发展规划：有序推进海上风电基地建设，开展深远海海上风电6目录7（二）我国风能发展现状我国风资源分布图用电负荷 风电场三北（约三北（约70%）阶段一2020年前陆上风电为主阶段二20212030陆上、近海风电并重阶段三20312050陆上、近远海全面发展近海水深50m深海水深50m陆上82022年风能方向7个指南布局和考虑指南目标基础研究共性关键技术重大成果新型大功率风力发电(2个项目)20MW级新型风力发电新型高效风力发电理论大功率海上装备(2个项目)15MW级海上风电机组10MW级深远海漂浮式风电机组风电

4、数字化设计(1个项目)风电整机仿真设计软件风电装备关键部件(2个项目)风电机组专用滑动轴承风电机组主控系统p 研制p 支撑p 掌握p 打破服务大功率风电装备发展的国家战略需求，解决风电装备关键零部件自主国产化的重大行业问题，促进我国风电产业化数字化升级，引领全球风电发展方向！9p 风能方向风电数字化设计与轴承、主控等关键部件是大型风电装备高性能服役的核心保障“十四五十四五”重大预重大预期成果期成果重要节点任务重要节点任务部署年度部署年度大功率海上风电机组技术步入世界前列10兆瓦级漂浮式风电机组关键技术202215兆瓦级海上风电机组关键技术2022大功率风电装备关键核心部件自主可控风电机组用滑动

5、轴承、主控关键技术2022大功率发电机与齿轮箱一体化集成、超大型叶片关键技术2023掌握新型超大功率风力发电关键技术20 兆瓦级海上风力发电关键技术2022风电数字化设计技术国际并跑风电机组整机仿真设计软件技术2022传动链试验与数字孪生、机组测试与性能提升关键技术2023深远海风电场集群控制关键技术2023海上风电低成本规模化开发将推动我国风电产业升级，引领国际发展，支撑碳减排10（二）我国风能发展现状n陆上风电100m高度开发量3900GW，主要集中在三北地区n截至2021年累计装机容量312.12GW，占全球40%n近海100m高度可开发风资源约750GW；深远海超过2200GW n截至

6、2021年累计装机容量16.88GW，占全球48%，但占可开发储量的不足1%从角度从角度n陆上风电技术相对成熟：已经开发至中低风速，最低开发风速已逼近5米/秒（120米塔筒高度）n海上风电自主原创性技术落后：关键零部件国产化不足，风电机组设计软件完全依赖进口从角度n陆上风电已实现平价上网：陆上风电度电成本低于世界平价水平，已经全面实现平价上网n海上风电实现产业化存在制约瓶颈：近海风电虽初步具备产业化，但单机容量低于10MW、度电成本高。目前度电成本大于0.6元/KWh，较我国东南沿海度电成本高30%但n消纳不足：陆上风场主要集中在三北高风速地区，但当地消纳不足，且远距离输送通道容量有限，仍存在

7、弃风限电从角度n消纳能力强：海上风场距离我国主要电力负荷中心东南沿海地区近，具有明显的消纳优势11（二）我国风能发展现状我国近海海上风电机组整机性能指标和经济指标均落后于国外；并且20MW及以上固定式风电机组目前世界尚未出现样机，对装备研制提出进一步挑战：关键零部件：叶片长度150米，塔架高度超百米，超柔、大惯量、高尖速比，超长叶片设计超高雷诺数下翼型缺失；海洋支撑结构设计没有充分考虑机组运行影响软件主控系统：气弹颤振现象突出，目前还没有成熟的气弹稳定性分析软件；风载、波浪、海流的组合扰动下机组控制策略更加复杂一体化设计及验证：气动、水动分别设计而未一体化；风洞-水池样机试验载荷失真p 国际情

8、况 全球已装机的最大风电机组：功率为12MW（通用电气）叶片长度107米风轮直径达260米年发电量74GWh 全球海上风电机组平均海上风电度电成本约0.5元/KWhp 国内情况 国内已装机的最大风电机组：功率为18MW（海装风电）风轮直径260米 国内海上风电机组平均海上风电度电成本0.6元/KWh12MW国外海上风电机组最大单机容量为12MW（通用电气）国内海上风电机组最大单机容量为10MW（东方电气）12（二）我国风能发展现状单桩式张力腿式2022年5月28日，中国海装牵头研制国内首台深远海浮式风电装备“扶摇号”6.2MW示范(中科院工程热物理所参与研制）全球已建成及规划中的浮式风电项目p

9、 国际情况 2009年挪威研制了全球首台样机；2020年安装最大机组单机功率达 目前全球浮式风电总装机容量只有86MW，仅安装为9款17台 技术由美国、欧洲和日本垄断p 国内情况 2021年明阳研发了样机，应用于平均水深29m的近海海域 2 0 2 2 年 中 国 海 装 研 制 了样机，应用于平均水深65m的深海海域我国在超大功率海上漂浮式风电机组设计技术方面与国外差距巨大！深远海漂浮式10MW及以上机组目前世界尚未出现样机，在技术方面面临如下挑战：关键零部件：叶片长度100米，叶片设计没有考虑基础六自由度影响，运行失稳；海洋支撑结构设计对抗台风和腐蚀问题提出了极大的挑战软件主控系统：尾流效

10、应的显著大大降低下游侧机组发电量，增加疲劳载荷和故障率；风载、波浪、海流的组合扰动下机组控制策略更加复杂，送电成本高一体化设计及验证：气动、水动分别设计而未一体化；风洞-水池样机试验载荷失真13（二）我国风能发展现状缩比模型高保真相似实验验证方法全直流系统设计技术u 翼型严重依赖于国外，超高雷诺数风机翼型国际缺失u 风电机组-浮体平台-系泊系统各部件设计理念不一致u 离岸距离增加导致输电成本显著增加关键部件一体化设计及验证控制和输配电系统浮式风电装备一体化设计软件开发抗台风基础结构设计及防腐技术国产化150米级超长柔性叶片气动-结构-载荷设计及检测技术国产化主控系统研发u 风洞、水池模型实验结

11、果难以反馈原型机组真实性能u 复杂海洋环境下传统控制技术不再适用u 百米级叶片颤振速度接近运行速度，易发生颤振失稳u 超大型叶片可靠性问题更显突出，结构测试难度增加u 主控系统国产化率有待提升u 极端工况下易发生浮体倾覆、系泊断裂等问题u 湿热恶劣环境下易出现严重的腐蚀问题14（二）我国风能发展现状基于前述对海上风电的发展趋势以及目前我国与国际的巨大差距的分析，我国超大型海上风电装备的研制在，导致度电成本居高不下，严重制约了我国海上风电产业的发展。核心“卡脖子”关键技术如下：关键零部件150米超长柔性叶片无 支撑结构有轴承5MW以上全部进口主控系统风力机组优化控制无风电场智能运维无主控系统无一

12、体化设计及验证机组设计软件国产化无20MW固定式无15MW漂浮式无注：标蓝色的关键技术为本项目拟重点突破的技术15目录16 1956年创建中国科学院动力实验室，1980年恢复建制 研究所奠基人：吴仲华先生 (1917-1992)提出的著名理论：-“叶轮机械三元流动理论”-“温度对口，梯级利用”科学用能思想应用基础与应用发展研究有机结合的战略高技术研究机构，主要从事动力、能源和环境等领域的研究在研究所工作过和当选的院士王补宣蔡睿贤吴成康闵桂荣徐建中蒋洪德金红光历史沿革一、研究所概况17国家能源风电叶片研发(实验)中心能源动力研究中心轻型动力实验室循环流化床实验室分布式供能与可再生能源实验室储能研

13、发中心传热传质研究中心先进燃气轮机实验室无人飞行器实验室新技术实验室面向重大需求，拓展先进燃机、无人飞行器等研究领域促进交叉创新，成立新技术实验室推动重大原创成果产出，跨实验室组建基础科学研究中心研究单元基础科学研究中心军民融合创新中心科研机构18中科院先进能源动力重点实验室中科院风能技术院重点实验室中科院轻型动力院重点实验室 国家级研究机构省部级重点实验室国家能源风电叶片研发（实验）中心国家能源分布式能源研发（实验）中心国家能源大规模物理储能技术研发中心清洁高效煤电成套设备国家工程研究中心 中科院煤炭清洁燃烧与气化工程实验室北京市分布式供能重点实验室国家能源风电装备评定中心科研机构19国家能

14、源风电叶片研发（实验）中心国家级风电叶片检测中心国家能源风电装备评定中心中科院风能利用重点实验室徐建中院士为学术带头人风电叶片、海上风电、风能热利用等风洞试验、外场测试、数据分析平台（四）团队构成和研究基础：中科院工热所实验室学术委员会主任实验室学术委员会主任主任兼首席科学家：主任兼首席科学家：徐建中徐建中中国科学院院士中国科学院院士现 任：国 际 海 上 风 能 与 海 洋 能 年 会现 任：国 际 海 上 风 能 与 海 洋 能 年 会（ICOWES）主席，）主席，Science in China(Series E)副主编副主编，ISABE执委会委员，执委会委员，AJCPP执委会委员。执委

15、会委员。山东大学特聘教授山东大学特聘教授研究领域：风能利用；分布式能源系统。研究领域：风能利用；分布式能源系统。主任兼学术带头人：主任兼学术带头人：李庆安李庆安现任：国家现任：国家千人计划千人计划青年项目获得者；青年项目获得者；中中科院科院“百人计划百人计划”获得者获得者，国家重点研发计，国家重点研发计划划指南专家指南专家。山东大学杰出中青年学者山东大学杰出中青年学者研究领域：风电叶片，风电场，海上风电。研究领域：风电叶片，风电场，海上风电。实验室主任实验室主任2020中国科学院工程热物理研究所 国家能源风电叶片研发（实验）中心 国家级风电叶片检测中心 国家能源风电装备评定中心 中科院风能利用

16、重点实验室依托平台科研条件项目来源围绕风电叶片研究的部分相关项目科技部大型海上风电叶片静力、疲劳测试及破坏评价与分析技术研究大厚度、钝尾缘、低噪声翼型设计应用技术风力机组叶片先进翼型族设计技术一体化成型和分段式风电叶片设计制造国家自然科学基金委尾缘涡街作用下三维流动对钝尾缘叶片气动载荷影响研究弯扭组合载荷作用下复合材料风电叶片承力梁非线性破坏机理研究风力机翼型的多尺度流场特性影响及协控机制研究风电叶片空气动力学阵风条件下风力机非定常流动机理与气动模型研究能源局风电叶片试验与检测关键技术研究及应用示范中科院复杂地形条件下大型风电叶片先进设计技术研究风力机外场气动/结构综合测试系统研制院地合作贴近

17、中国风资源低风速高海拔叶片设计技术产业化应用6MW海上抗台风叶片研制及产业化外场实验机组150米叶片检测平台风洞实验平台以徐建中院士为学术带头人，围绕国际风电叶片前沿技术发展需求，长期开展风电基础理论、叶片研发和检测等方面研究，主持风电叶片相关国家级、省部级项目近40项，其中中日、中丹、中德等国际合作项目6项，是风电领域具有一定影响力的国际合作科研平台21（三）风电机组关键技术创新成果风资源地域性明显风电叶片个性化设计下游动态失速严重设计标准无据可依风-浪-流组合扰动尾流叠加耦合更突出流动机理控制策略性能特征风电机组工作过程中流动规律与载荷特性之间的耦合机理陆上水平轴风电机组 海上浮动式风电机

18、组垂直轴风电机组提出适用于浮式海上风电机组周期性变桨控制技术与一体化设计研究揭示了不同风资源条件下水平轴风电机组流场流动及演化机理诠释了基本设计参数对垂直轴风电机组性能影响的本质规律22（三）风电机组关键技术创新成果针对风资源分布具有地域差异性特点，从风能源头来流风特性出发，攻克了自然风特性模拟装备研发技术，采用从翼型到叶片，从风洞试验到外场测试逐层推进模式，发现了风电机组叶片表面旋涡生成及演化机制,构建了智能化尾流预测模型,为专用翼型的开发和风电场的优化布局提供了科学指导。创新成果1：HAWT水平轴风电机组翼面流动分离及尾流演化机制代表性论文：代表性论文：Q.Li*,T.Maeda,Y.Ka

19、mada,et al.Applied Energy,225,1190(2018);D.Song,Q.Li*,Z.Cai,et al.IEEE Transactions on Sustainable Energy,10(6),6690(2019)；Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Renewable Energy,96,918(2016)高被引论文高被引论文；Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Science of The Total Environment,609,1075(2017);Y.Kamada,Q.Li*,T.Maeda,et al.Re

20、newable Energy,136,1107(2019);Q.Li*,J.Murata,T.Maeda,et al.Energy,113,713(2016)高被引论文高被引论文。23（三）风电机组关键技术创新成果 针对超长柔性叶片开发了CAS系列国产化翼型，发展了基于智能优化算法的高精度气弹-结构综合设计优化平台和新型尾缘迎风抗台风技术；开发了一套满足超大型机组叶片检测需求的测试载荷（极限载荷、疲劳载荷）等效模拟技术。代表性项目：863项目、重点研发计划课题、中科院战略性新兴产业项目“6MW抗台风海上风电叶片设计技术及产业化应用”等20余项应用情况：100kW-10.3m叶片，150kW-1

21、7.0m叶片，1.5MW-40.3m叶片，先导2MW-63.5m叶片，中材5MW-67m叶片，海装8MW-87m叶片，国内首款10MW-102m叶片。联合慕尼黑工业大学完成设计20MW-126m叶片，完成海装12MW-126m叶片设计，正开展20MW-150m叶片设计国内首款百米级叶片102米（负责抗台风技术）双瑞102米，2021年下线 国家风电叶片检测中心依托平台预期成果：世界首套20MW叶片；叶片长度不低于150米，寿命不低于25年；最大Cp达到0.5CAS系列翼型族综合设计优化平台国内最长检测平台150米24（三）风电机组关键技术创新成果动态湍流格栅动态湍流格栅6842000.51.0

22、1.5MxyzM0.5MM湍流强度标准偏差湍流强度标准偏差642000.51.01.5x/H=0 x/H=10 x/H=-10湍流湍流强度分布图强度分布图风廓线分布图风廓线分布图14.016.012.010.08.000.51.0 1.5 2.0 2.5 3.0自然风况风洞再现湍流湍流强度与风强度与风廓线同时兼顾廓线同时兼顾海上海上草原草原平原平原山区山区亮点国内技术空白 攻克了自然风特性模拟装备研发技术，利用翼面流动特征定量化分析了翼型力学性能，为不同风资源条件下风电机组专用翼型的开发提供了科学依据。在风洞中实现对不同地域风资源特性模拟，可根据需求对湍流强度和风剪切精准调节。25（三）风电机

23、组关键技术创新成果-5.0-4.0-3.0-2.0-1.001.000.2 0.4 0.6 0.8 1.0尾缘缘分离分离a=13Pressure coefficient CP-Chord-wise position x/c-TI=13.9%TI=10.2%TI=5.0%TI=2.5%TI=0.20%Wind油膜层黒帯回流域再附点分离点Wind0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Chord-wise position x/c-分离泡黑带压力分布压力分布曲线曲线二维翼型翼面压力分布和流场特征的内在规律u定量化明确失速角范围；u精准定位翼弦方向流动分离区

24、间。攻克了自然风特性模拟装备研发技术，利用翼面流动特征定量化分析了翼型力学性能，为不同风资源条件下风电机组专用翼型的开发提供了科学依据。0 0.20.4 0.6 0.8 1.0 Chord-wise position x/c尾缘Tuft 法法前缘分离翼面压力分布测量技术翼面压力分布测量技术26（三）风电机组关键技术创新成果探索了不同风资源条件下风电机组叶片表面旋涡生成及尾流演化机制，构建了智能化高斯尾流预测模型，突破了现有模型不能实现自主调节的约束。y/c=0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 LDV测量技术Azimuth AngleRadial Positi

25、on r/R1.3751.2501.1251.0000.875回转面u深入定位到叶片翼面边界层,精确捕捉叶片周围流场流动分布规律；u定量化证明翼面流动分离区域的减小是风电机组效率提升的本质原因之一。1.0000.8750.7500.6250.5000.3750.2500.1250.0002nd probe1st probe 雷达测量技术UinitialUD高斯尾流模型1027（三）风电机组关键技术创新成果定量化评估了不同地域环境下风资源分布特征，探索了气流在空间和时间上多尺度多方位能量分布规律，结合智能尾流控制模型揭示了风电场中风电机组位置内在影响机制，为风电场的优化布局提供了科学指导。动态湍

26、流格栅装置4321024-4-26810120PIV 系统日本青山高原风电场优化布局多普勒雷达28（三）风电机组关键技术创新成果29（三）风电机组关键技术创新成果针对海上浮动式风电机组存在风-浪-流的组合扰动问题，探索了海上风特征指数对风电机组性能和尾流影响的本质规律,为未来海上智能风电场的优化布局提供了科学指导;提出了基于我国海洋环境的周期性变桨控制方法,为海上风电机组载荷不易控制的问题提供了新的解决方案。创新成果2：FOWT海上浮动式风电机组变桨技术与一体化设计研究代表性论文：代表性论文：Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Renewable Energy,186,1

27、128(2017);Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Energy,134,482(2017)高被引论文高被引论文;Q.Li*,Y.Kamada,T.Maeda,et al.Energy,109,703(2016)高被引论文高被引论文;L.Sang,Y.Kamada,Q.Li*,Energy,134,269(2017).30（三）风电机组关键技术创新成果u 损失机理认识层面：明确了海洋环境下的低风剪切系数降低尾流损耗的影响机制。u 面向工程应用层面：发现了湍流强度对风电机组性能影响程度取决于叶片安装角和仰角的内在规律。功率性能流场特征基于风洞试验定量化研究了海上湍流强度

28、、风剪切系数等海上风特征指数对FOWT性能和尾流影响的本质规律，为未来海上智能风电场的优化布局提供了科学指导。海上风电场的尾流影响31（三）风电机组关键技术创新成果提出了基于海洋环境的新型周期性变桨控制方法，为浮动式风电机组载荷不易控制的问题提供了新的解决方案。u 基于斜盘原理创新性提出周期性变桨控制技术。u 采用风洞试验定量化证明该技术可有效降载提效。Inclined angle32（三）风电机组关键技术创新成果发展基于多物理场耦合机制的周期性变桨设计方法，可有效降低平台多自由度运动引起的载荷增加和功率损失；探索了风电机组尾流演化机制，构建了智能化高斯尾流预测模型，突破了现有模型不能实现自主

29、调节的约束。应用情况：周期性变桨技术应用于世界首台7MW浮式风电装备；智能控制策略应用张北风电场，助力北京冬奥会。预期成果：功率曲线保证率95%；风电机组年发电量提升至少5%。33（三）风电机组关键技术创新成果突破气动、水动、质量结构相似模型设计，具备风电装备高保真水动气动测试能力，解决风洞-水池试验缩比模型尺度效应构建海上风电装备一体化仿真平台，自主开发浮式机组水动力学、空气动力学、结构动力学等模块耦合计算方法与流程。6.25MW“扶摇号”浮式机组应用情况：海装“扶摇号”浮式机组。预期成果：建立大型风电装备缩比模型试验准则；研发海上风电装备一体化仿真平台一套，与国际主流设计软件误差不大于10

30、%。水池试验（弗洛德相似准则）风洞试验（雷诺数相似准则）矛盾叶片载荷叶片载荷监测系统监测系统在环测试34（三）风电机组关键技术创新成果解决了数值模拟方法通常采用松耦合进行反复迭代问题；攻克了风电装备缩比模型试验水动力学和空气动力学载荷失真的问题。35（三）风电机组关键技术创新成果针对垂直轴风电机组设计无据可依的难题，研究了基本设计参数对风电机组性能影响的本质规律,参与制定了日本小型风电机组设计标准;构建了VAWT载荷分析模型,将设计载荷安全系数由3.0降为1.35成为可能,大幅降低了生产成本;明确了风资源分布特征与VAWT性能匹配准则,为实现工程应用提供了科学依据。创新成果3：VAWT垂直轴风

31、电机组气动和流场内在关联特性研究代表性论文：代表性论文：Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Energy,90,784(2015)热点论文，高被引论文热点论文，高被引论文;Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Journal of Thermal Science,23,315(2014)热点论文，高被引论文热点论文，高被引论文;Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,151,70(2016)高被高被引论引论文文；Q.Li*,

32、T.Maeda,Y.Kamada,et al.Energy,104,295(2016)高被引论文高被引论文;Q.Li*,T.Maeda,Y.Kamada,et al.Energy,207,121(2017)；36（三）风电机组关键技术创新成果气动气动流场流场力学性能力学性能流场特性流场特性风洞试验风洞试验u 气动性能：六分量天平整体评估力学性能；压力分布技术局部测量叶片。u 流场特性：LDV测量技术精细化探讨了翼面流和尾流特点。系统地研究了设计参数对风电机组影响的本质规律，参与制定了日本小型风电机组设计标准，解决了垂直轴风电机组设计无据可依的难题。-2.0-1.00.01.02.0-2.0-1

33、.00.01.02.0Lateral Position y/R-Longitudinal Position x/R-30.00-10.0010.0030.0037（三）风电机组关键技术创新成果基于风洞和外场测试结果，结合升力线理论，构建了VAWT载荷分析模型，将设计载荷安全系数由3.0降为1.35成为可能，大幅降低了生产成本。u 诱导速度和环量在翼展中心最大，随着向翼尖方向移动逐渐降低。u 有效地预测了VAWT工作过程中的安全性问题。诱导速度诱导速度环量环量力力学学性性能能涡涡场场特特征征Pressure measurementCFDLift line method model38（三）风电机

34、组关键技术创新成果明确了风资源分布特征与VAWT的性能匹配准则，建立了VAWT性能量化评估方法，为实现工程应用提供了科学依据。u 发现VAWT性能在高湍流地区比水平轴风电机组更具优越性。u 高风速低湍流地区更适合安装叶片数量低的VAWT。0.51.01.52.02.53.00.000.050.100.150.20Power coefficient CP-Tip Speed Ratio 4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s 9m/s 10m/s Wind tunnelWindVAWTx1D8.0 m/s35.1618.97Wind TunnelField Test气 动 流 场外场测试39期待合作共赢！