國家能源局、科學(xué)技術(shù)部印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）指出，要構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，推進(jìn)能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系。為此，要加快發(fā)展非化石能源，堅持集中式和分布式并舉，大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源，有序發(fā)展海上風(fēng)電。雖然，我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，但與世界能源科技強國相比，我國能源科技創(chuàng)新還存在明顯差距。要實現(xiàn)引領(lǐng)能源革命，以下幾項重要的科技問題亟待研究和解決。
聚焦關(guān)鍵零部件、核心材料研發(fā)，補齊能源技術(shù)裝備短板
風(fēng)電葉片占據(jù)風(fēng)電機(jī)組20%的成本，是風(fēng)電機(jī)組載荷主要來源和吸收風(fēng)能的主要載體?！兑?guī)劃》指出要突破超長葉片、大型結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件設(shè)計制造技術(shù)。與歐美主要風(fēng)能強國相比，我國在風(fēng)電葉片設(shè)計和性能驗證方面仍存在差距，部分原材料仍然依賴進(jìn)口，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
一是目前我國風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計主要采用歐美已開發(fā)的風(fēng)力機(jī)專用翼型。然而，我國的風(fēng)資源與歐美地區(qū)存在較大差異。鑒于此，有必要根據(jù)我國風(fēng)資源特點，綜合考慮“高效、低載、變工況性能穩(wěn)定”等設(shè)計目標(biāo)，有效降低葉片對雷諾數(shù)和湍流強度等環(huán)境條件敏感性，結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)屬性和低噪音需求，開發(fā)適用我國陸上和海上風(fēng)資源的新一代風(fēng)力機(jī)專用翼型族，為1萬千瓦及以上級別的大型風(fēng)電葉片研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
二是隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量增加，葉片長度和柔性增加，氣彈顫振速度逐漸降低，使得氣彈穩(wěn)定性成為葉片設(shè)計的重要約束條件。百米量級大型風(fēng)電葉片幾何大變形引起的非線性振動極為顯著，且湍流風(fēng)況下氣動力非線性效應(yīng)加劇了非線性耦合動力學(xué)行為的復(fù)雜性，嚴(yán)重危害機(jī)組安全運行。針對大型柔性葉片研制面臨的氣動與結(jié)構(gòu)非線性耦合效應(yīng)復(fù)雜、氣動彈性穩(wěn)定性機(jī)理不明確等問題，迫切需要突破大型柔性葉片非線性動力學(xué)高效計算和顫振準(zhǔn)確預(yù)測的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，揭示復(fù)雜風(fēng)況下大型柔性葉片非線性氣彈耦合機(jī)理和顫振影響的關(guān)鍵因素，發(fā)展大型柔性葉片氣彈耦合多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化方法，掌握超長柔性葉片的顫振抑制技術(shù)。
三是大型葉片結(jié)構(gòu)幾何非線性和三維應(yīng)力效應(yīng)更加突出，葉片結(jié)構(gòu)強度由中小型葉片的材料強度控制為主轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌姸取⒛z接界面、屈曲穩(wěn)定性多種破壞模式的耦合作用。傳統(tǒng)的殼體模型和材料強度判定準(zhǔn)則無法準(zhǔn)確預(yù)測葉片結(jié)構(gòu)的承載力，需要發(fā)展包含復(fù)合材料三維漸進(jìn)失效、非線性屈曲以及膠接界面失效的實體單元模型。在驗證葉片可靠性方面，傳統(tǒng)的小型試樣級實驗和全尺寸葉片實驗無法兼顧快速、準(zhǔn)確以及經(jīng)濟(jì)性要求，需要發(fā)展葉片結(jié)構(gòu)部件級測試技術(shù)、方法以及規(guī)范。
四是在核心材料應(yīng)用方面，風(fēng)電葉片先進(jìn)碳纖維材料仍然大量從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，國產(chǎn)碳纖維占比較少；輕木芯材受生長周期、生態(tài)環(huán)境以及外部環(huán)境的影響，完全依賴從南美進(jìn)口，且時常無法正常供應(yīng)。針對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)對碳纖維材料的個性化需求，開發(fā)低成本、性能適中、工藝穩(wěn)定的風(fēng)電葉片碳纖維材料，研究風(fēng)電葉片碳纖維材料復(fù)合材料成型工藝，加強國產(chǎn)碳纖維在大型風(fēng)電葉片上應(yīng)用、測試與驗證研究，促進(jìn)國產(chǎn)碳纖維材料在風(fēng)電葉片的大規(guī)模應(yīng)用。在合成泡沫芯材基礎(chǔ)上設(shè)計創(chuàng)新增強結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)芯材，逐步替代進(jìn)口巴沙木芯材，實現(xiàn)葉片高性能夾心材料降本增效與可控供給。
拓展風(fēng)能利用新方向，重點突破風(fēng)能利用領(lǐng)域原創(chuàng)性技術(shù)
《規(guī)劃》中指出“能源領(lǐng)域原創(chuàng)性、引領(lǐng)性、顛覆性技術(shù)偏少，綠色低碳技術(shù)發(fā)展難以有效支撐能源綠色低碳轉(zhuǎn)型”，為進(jìn)一步拓展風(fēng)能利用寬度，解決分布式能源就地消納問題，推進(jìn)風(fēng)能利用技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，亟須推廣風(fēng)能熱利用技術(shù)。風(fēng)熱機(jī)組是一種可以替代燃煤鍋爐供暖并提高風(fēng)能消納能力的變革性可再生能源供熱技術(shù)。目前國內(nèi)已完成100千瓦級風(fēng)熱機(jī)組樣機(jī)示范，理清了風(fēng)熱機(jī)組能量轉(zhuǎn)化與傳遞規(guī)律，驗證了該技術(shù)路線的可行性。下一步亟須開展兆瓦級的工程技術(shù)研究及相關(guān)示范，優(yōu)化配置、提高風(fēng)能利用效率、應(yīng)對未來發(fā)展需求，要重點突破風(fēng)熱機(jī)組以下幾個科學(xué)問題：
一是風(fēng)熱機(jī)組一體化設(shè)計方法。由于“風(fēng)熱機(jī)組”為風(fēng)能利用的新形式，風(fēng)熱機(jī)組能量轉(zhuǎn)換過程涉及到空氣動力學(xué)與熱力學(xué)的學(xué)科交叉，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和熱泵機(jī)組的設(shè)計理念有較大差異，需要構(gòu)建空氣動力學(xué)與熱力學(xué)耦合系統(tǒng)模型，獲得復(fù)雜工況下風(fēng)熱機(jī)組運行特性，形成風(fēng)熱機(jī)組一體化設(shè)計方法。
二是適用于風(fēng)熱機(jī)組的高效熱泵循環(huán)技術(shù)。風(fēng)能的不確定性和瞬時性以及熱泵機(jī)組的熱滯性，造成風(fēng)熱機(jī)組系統(tǒng)模型具有很強的非線性、不確定性和多干擾性，此外多元化的用戶需求也受社會活動和環(huán)境氣象條件影響，兼具周期性和隨機(jī)波動特征。因此，需要研究適用于風(fēng)熱機(jī)組的高效熱泵循環(huán)理論,以獲得風(fēng)熱機(jī)組熱力學(xué)優(yōu)化方法。
三是風(fēng)熱機(jī)組優(yōu)化控制策略。風(fēng)熱機(jī)組涉及風(fēng)力機(jī)與熱泵循環(huán)之間的優(yōu)化匹配與動態(tài)調(diào)控，需開展典型工況下風(fēng)熱機(jī)組控制策略研究，揭示風(fēng)力機(jī)與熱泵系統(tǒng)耦合的有效控制機(jī)制，獲得典型工況下風(fēng)熱機(jī)組控制策略與控制方法。
推動產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，攻克海上超大型風(fēng)電裝備研制
海上風(fēng)電開發(fā)潛力極大，有望通過規(guī)?；l(fā)展（降低建設(shè)運維成本）和技術(shù)提升（機(jī)組大型化）最終實現(xiàn)平價。在國家重大需求的牽引下，亟須開展系列基礎(chǔ)科學(xué)研究，為海上風(fēng)電裝備的自主研發(fā)提供基礎(chǔ)理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)儲備。針對海上風(fēng)電裝備獨特的服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)重點解決以下幾個科學(xué)問題：
一是風(fēng)—浪—流聯(lián)合激勵下1.5萬千瓦海上風(fēng)電裝備氣動—水動—伺服—彈性多體多場耦合演化機(jī)制。通過研究風(fēng)—浪—流組合擾動下海上風(fēng)電裝備機(jī)組—塔筒—基礎(chǔ)全耦合動態(tài)過程，揭示海上風(fēng)電裝備運行過程中能量捕獲機(jī)制、運動響應(yīng)特征與載荷演變機(jī)理，進(jìn)而提出描述海上風(fēng)電裝備多體多場耦合演化問題的新理論。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)大型海上風(fēng)電機(jī)組氣動—結(jié)構(gòu)—伺服—彈性一體化仿真方法，聚集有實力的科研院所、高校以及業(yè)內(nèi)企業(yè)共同開發(fā)風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)設(shè)計與認(rèn)證軟件。
二是復(fù)雜海洋環(huán)境下1萬千瓦級浮式風(fēng)電裝備多場協(xié)同縮尺理論及耦合動力學(xué)高保真模型試驗方法。為解決浮式風(fēng)電裝備縮比模型試驗無法同時滿足關(guān)鍵相似準(zhǔn)則雷諾數(shù)（Re）與弗洛德數(shù)（Fr）條件的問題，有必要深入探討浮式風(fēng)電裝備多場協(xié)同縮尺理論，發(fā)展耦合動力學(xué)高保真風(fēng)洞和水池模型實驗方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)電機(jī)組—浮體平臺—系泊系統(tǒng)一體化仿真和設(shè)計方法，結(jié)合全尺寸時空多尺度多方位外場測試方法，有效指導(dǎo)1萬千瓦級大型浮式風(fēng)電裝備的研制和示范。
三是超大型海上風(fēng)電裝備自適應(yīng)協(xié)同控制理論與方法。通過研究海上風(fēng)電裝備在不同控制方法和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)下的動力學(xué)響應(yīng)演化特征，揭示考慮多體多場耦合演化機(jī)理的協(xié)同控制機(jī)制。進(jìn)一步發(fā)展以綜合性能最優(yōu)為目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化控制理論與方法，開發(fā)風(fēng)—浪—流狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)，研究適應(yīng)性控制算法，實現(xiàn)超大型海上風(fēng)電裝備性能的精準(zhǔn)預(yù)測和智能化控制，從而解決超大型風(fēng)電裝備效率、載荷與穩(wěn)定性等綜合性能平衡匹配的關(guān)鍵問題。