風力發電蓬勃發展拉動稀土磁體需求

● 王春筍 張安文/文

一、風能

風能是一種潛力大、清潔無公害的可再生能源。風力發電是指利用風力發電機組直接將風能轉化為電能的發電方式。在風能的各種利用形式中，風力發電是風能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術最成熟、最具有規模化開發條件和商業化發展前景的發電方式之一。

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組，這種風力發電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發電機和鐵塔三部分。大型風力發電站基本上沒有尾舵，一般只有小型(包括家用型)才會擁有尾舵。風力發電機組由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能;尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能;轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能;機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。

依據目前的風車技術，大約每秒3 米的微風速度，便可以開始發電。但從經濟合理的角度出發，風速大于每秒4 米才適宜于發電。據測定，一臺55千瓦的風力發電機組，當風速為每秒5 米時，機組的輸出功率僅為9.5 千瓦；風速為每秒6 米時，輸出功率16 千瓦；當風速每秒8 米時，功率為38 千瓦；而風速為每秒9.5 米時，機組的輸出功率為55 千瓦，由此可見，風力愈大，經濟效益也愈大。

風力發電具有清潔、環境效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、裝機規模靈活等優點，但它也有噪聲、視覺污染、占用大片土地、目前成本略高和影響鳥類棲息遷徙等缺點。

二、風能市場

在全球節能減排和碳中和的綠色發展趨勢下，風能作為一種清潔的可再生能源由于不需要使用燃料，且也不會產生輻射或空氣污染，正在成為替代傳統化石燃料的選項之一，風力發電正在世界上形成一股熱潮。

全球風能蘊藏量遠超過石油、煤炭的蘊藏量，地球上可以利用的風能被認為比可開發利用的水能總量還要大10 倍。全球風能資源技術開發潛力=全球電力需求40 倍。

中國的風力資源極為豐富，可開發利用的風能儲量約1000 GW，其中，陸地上風能儲量約253GW(以陸地上離地10m 高度計算)，海上可開發和利用的風能儲量約750 GW。而且，中國風力資源的分布面非常廣，絕大多數地區的平均風速都在每秒3 米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大;有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區，利用風能具有得天獨厚的條件。

縱觀中國風電的發展歷程，在2006年前中國風力發電處于萌芽和起步階段。2006年，中國風電累計裝機容量達到2.60GW，成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。2007年我國風電產業規模延續暴發式增長態勢，截至2007年底全國累計裝機容量約6 GW。

2008年，中國風電裝機總量超過7GW，占中國發電總裝機容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。同時也開啟了國內風電白熱化建設的時代。2009年，中國新增風電機組10129 臺，容量13.8 GW，同比增長124%;累計安裝風電機組21581 臺，容量25.8 GW。

此后10年間，中國風電裝機容量大體呈現逐年穩步遞進的態勢。2019年，中國新增風電并網裝機容量25.74GW，其中陸上新增并網裝機容量23.76GW，海上新增并網裝機容量1.98GW。截至2019年底，我國風電裝機容量達209.94GW，自2009年以來一直保持世界第一，占全球累計風電裝機量的32.24%，圖1 所示為2005 至2020年間中國風電裝機總量和新增風電裝機量的發展軌跡。

圖1 中國風電總裝機量和各年新增裝機量統計(GW)

國家能源局2021年1月20 日公布了2020年全國電力工業統計數據。數據顯示，2020年新增并網裝機容量71.67GW，創下歷史新高，超過2017（15.03GW）、2018（20.59GW）和2019年（25.74GW）三年新增并網裝機規模的總和61.36GW，但是根據國家能源局數據，2020年1～11月新增風電裝機24.62GW,這意味著僅2020年12月的風電新增裝機容量高達47.05GW，比2018、2019 兩年裝機總和還要多，參見圖2 所示的2020年1～12月中國新增風電裝機量。

圖2 2020年風電月新增裝機容量（GW）

補貼退坡刺激及海上風電發展提速的雙重影響是造成12月裝機容量突然猛增的原因。2019年5月25 日，國家發改委發布了《關于完善風電上網電價政策的通知》，其中明確：2018年底之前核準的陸上風電項目，2020年底前仍未完成并網的，國家不再補貼。在去補貼政策刺激下，風電行業陷入了瘋狂“搶裝”。為確保項目收益，風電和光伏開發商竭盡全力要在2020年底并網，所以2020年12月的風電新增裝機數據并不具有常態數據的意義。

2020年12月風電新增裝機量的井噴也使我國2020年風電累計裝機總量從2019年剛超過2 億千瓦(200GW)，直接增長到接近3 億千瓦(300GW)，而風電和光伏累計裝機總容量高達5.3 億千瓦(530GW)。截至2020年底，全國電力總裝機容量約22 億千瓦(2200GW)，也就是說，風電和光伏裝機占比已經高達24%，也意味著高比例新能源電力時代已逐步來臨。2020年風電、光伏新增裝機接近1.2 億千瓦(120GW)，約占全國新增發電裝機的62.8%，水電、風電、光伏發電、生物質發電裝機容量，均居世界首位。

2020年風電發電量4665 億千瓦時，同比增長約15%，幾乎相當于4個三峽電站2020年的發電量！2008～2020年中國風電發電量數據參見圖3。

圖3 2008～2020年中國風力發電量（GW-h）

三、風電布局

從風電建設的布局結構來看，過去風電開發主要集中在風資源較好的“三北”地區，隨著近幾年大兆瓦機組、長葉片、超高塔筒等應用推廣，平原地區、低風速地區也具備了開發條件。2020年風電新增裝機中，中東部和南方地區占比約40%。（“三北”地區指我國的東北、華北和西北地區，東北包括黑龍江、吉林、遼寧；華北包括北京、天津、河北、山西、內蒙古；西北包括陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆。）

中東部和南方風電建設的增加是海上風電份額逐漸提升的主要原因。近年來，由于我國陸上風電的建設技術已日趨成熟，加之海上風電資源更為廣闊，開發條件好，國家風電發展政策逐漸向海上發電傾斜。據國家能源局統計數據顯示，2013年以來，我國海上風電市場份額穩步提升，2013年，海上風電累計裝機容量為0.45GW，僅占總體風電累計裝機量的0.58%，到2020年，增長至3GW，占總體的4.23%。2020年，三北地區新增裝機與中東部和南方地區新增裝機持平;利用水平進一步提升，風電利用率97%，同比提升1 個百分點。未來五年，海上風電有能力實現規模化、平價化發展。圖4 所示為2013～2020年中國陸上風電與海上風電的新增裝機比例。

圖4 2013～2020年中國陸上風電和海上風電新增裝機比例（%）

在開發成本方面，發展到目前階段，風電的性價比正在形成與煤電、水電的競爭優勢。風電的優勢在于:裝機能力每增加一倍，成本就下降15%，從多年前風力發電最便宜八毛錢一度，有的甚至要兩元左右，降到如今我國大部分地區尤其是新建的風電陸上項目不再需要補貼，風資源好的一些地方，價格甚至比煤電還低。目前在我國“三北”地區，風電電價已基本實現為0.16 元，已具備與火電比拼成本階段。到2023年“三北”風電成本有望實現0.1元左右。

從風機的制造商角度講，中國風機整機制造產業市場集中度穩步提高，前五大整機制造商吊裝容量高達21.7GW，共占據76%市場份額。金風科技，遠景能源，明陽智慧能源穩居前三，運達風電、上海電氣分列第四、第五。根據國際能源署的數據，中國已經擁有世界上1/3 的風力發電、全球十大風力渦輪機制造商中的4 家。表1 列舉了中國市場上的主要風機制造商。

表1 中國市場主要風機制造商

四、稀土永磁在風電中的應用

中國風力發電的蓬勃發展得益于將稀土永磁材料和技術應用于風力發電系統中。

風力發電機組是風力發電系統中最關鍵的部件。在風力發電機組中，永磁直驅風力發電機在傳動鏈中不含有增速齒輪箱，僅僅依靠增加磁極對數使得電機的額定轉速下降達到轉速調節的目的。直驅永磁發電機省去了風力發電系統中的齒輪增速箱，即所謂的直驅，減小了發電機的維護工作并降低噪聲；它不需要勵磁裝置，磁繞組轉子上也沒有集電環和電刷，因此具有重量輕、效率高、功率因數高、可靠性好、變速運行范圍寬等優點；同時永磁直驅風力發電機采用全功率的交-直-交變頻技術，與電網隔離，具有低電壓穿越能力，對電網友好，易于并網。

在風力發電市場中，結構簡單、運行可靠、機械損耗小、運行效率高、維護成本低是稀土永磁直驅風力發電機得到越來越多市場青睞的制勝優勢，使之成為重要風力發電機型，逐漸在中小型風力發電機中得到廣泛應用。尤其適合用于單機容量比較小的風場，能夠高效并網發電，以及風力資源豐富但電力設施匱乏、交通不便的地區，例如為高速公路照明設備提供電源等。

2008年新疆金風科技股份有限公司生產出數百臺1.5MW 的直驅式永磁風力發電機，經過數年的發展，中國的永磁風力發電機的整體水平已走在世界前列。稀土永磁發電機的使用量逐年增長，圖5 所示的是2015～2020年中國新增永磁直驅發電機組的用量。

圖5 2015～2022年中國永磁直驅式風力發電機新增裝機容量（GW）

永磁直驅發電機組安裝量的穩步增長也進一步推動了稀土永磁體在風力發電領域的增長，2013～2020年中國新增風電裝機量以及稀土在風電領域消費量的參照對比見圖6。舉例而言，金力永磁是國內有代表性的為風力發電企業提供永磁體的磁材制造商，根據其公司2020年半年度報告，金立永磁2020年上半年在風力發電領域收入達到3.76 億元。

圖6 2013～2020年中國新增風電裝機量及稀土在風電領域消費量參照對比

五、發展趨勢

風電行業發展趨勢將是不可逆轉的。按照“十四五”規劃中清潔低碳、安全高效的能源發展方向，中國將推動水電、風電、太陽能發電、生物質能、地熱能、海洋能等可再生能源向更大規模、更高比例、更高質量、更低成本發展，同時與儲能、氫能等產業融合發展。根據《新時代的中國能源發展》白皮書，中國將兌現“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的承諾，實現到2030年“風電、太陽能發電總裝機容量將達到12 億千瓦以上”的目標。根據國際能源署的估算，未來20年，中國將在低碳發電和其他清潔能源技術方面投資預計超過6 萬億美元。中國在清潔能源基礎設施方面的支出已超過了美國和歐盟的總和。從長遠來看，到2023年，可再生能源預計將占到全球新增發電量的70%以上。考慮到全球約50%的能源可能來自太陽能和風能，中國似乎有望成為世界上第一個清潔能源超級大國。

中國目前已開發的風能資源僅占其蘊藏量的不足5%，而且風電相對于光伏有一個優勢，是同樣發電效率和發電量，光伏占地面積是風電的200～500 倍，因此未來風力發電建設還有更廣闊的發展空間。據國家能源局新能源和可再生能源司副司長任育之表示，接下來要以更大力度推動風電規模化發展，推進風電技術進步和產業升級，繼續健全完善風電產業政策、促進風電容量消納、推動規劃政策協同以及體制和機制創新，為風電高質量發展創造良好條件。

最近約400 家風能企業，發表了“風能北京宣言”，提出在“十四五”規劃中，應為風電設定與碳中和國家發展戰略相適應的發展空間：保證年新增裝機大于5000 萬千瓦。“宣言”認為今后以零碳為目標的中國投資市場將集中于六大領域，即循環經濟，氫能、數字化、儲能、零碳發電技術、終端消費電器化。風電和光伏發電是零碳發電技術的重要措施。“宣言”提出2025年后年新增裝機容量大于6000 萬千瓦，2030年風電累計裝機量達到8億千瓦，2060年達到30 億千瓦。

在這個意義上說，作為風力發電產業的重要部件材料，稀土永磁體的市場未來也必定會隨之有大幅的增長。