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      《風能》市場 | 半直驅,風電第三勢力興起

      放大字體 縮小字體 發布日期:2021-08-31 13:43:49   來源:新能源網  編輯:全球新能源網  瀏覽次數:1264
      核心提示:2021年08月31日關于《風能》市場 | 半直驅,風電第三勢力興起的最新消息:半直驅,風電第三勢力興起作為除雙饋與直驅外的第三大主流技術路線,中速傳動正快速興起,這源于風電行業對更低度電成本的主動探索。種種跡象表明,中速傳動(也稱“半直驅、混合&
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      半直驅,風電第三勢力興起

      作為除雙饋與直驅外的第三大主流技術路線,中速傳動正快速興起,這源于風電行業對更低度電成本的主動探索。

      種種跡象表明,中速傳動(也稱“半直驅、混合”)技術的春天來了。

      一位部件制造商生產負責人向本刊記者透露,他所在的企業正為20余款中速傳動產品進行部件生產或試制,當然,這其中不乏一家整機商的多款機型。另據了解,國內排名靠前的整機商,大多數在評估是否轉向或添加這一技術路線,實際上已有整機商立起樣機,有的正在開發此類產品。

      這種熱火朝天的景象,在一年前還難以想象。曾經被無數業內人士奚落的“半吊子”,如今成了“香饃饃”,風電技術路線除雙饋、直驅外的第三勢力正迅速崛起。

      全球數據也呈現出同樣的趨勢。能源調研機構Wood Mackenzie預測,到2029年中速傳動機組在全球陸上風電、海上風電市場的占有率將分別達到45%、34%。稍加時日,中速傳動甚至可能坐上風電技術路線的“第二把交椅”。

      市場需求說了算

      “從企業經營角度來說,技術是為市場服務的,市場需要什么,技術就怎么跟。在不同市場條件下,技術需要持續跟蹤、動態調整。任何技術路線沒有誰領先誰的問題,只有市場適應性問題。”對于愈演愈烈的中速傳動熱潮,某整機商產品總監李輝認為。

      市場與技術確實在不斷演進,受技術進步與成本控制影響,在顛覆性技術出現之前,風電機組大型化趨勢已是不爭的事實。據李輝預測,未來5年海上機組單機容量將以年均1MW的速度遞增,這意味著單機容量將由如今的10MW左右,在5年內發展到15MW以上。陸上機組單機容量相對較小,但在大型化方面也不會放慢腳步,已有不少整機商喊出了“海陸同款”的產品推廣計劃。

      在目前技術條件下,隨著機組的體積與重量不斷增加,機組運輸難度將由量變引發質變;出于對成本與可靠性的考慮,一些機型的發電機不斷增大,其發電效率也將受到挑戰;更高的運維難度則要求大型海上機組運行必須足夠可靠,這給采用傳統技術路線的整機商出了難題。

      如果說大型化對于整機商技術提升與變革的要求還不是火燒眉毛,那么,成本倒逼可能是催促其立即行動的導火索。

      近期我國陸上風電主機的平均價格快速下降,由2020年6月的3450元/千瓦,快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而銅價、螺紋鋼價則分別由同期的4萬元/噸、3600元/噸,分別上升到6.8萬元/噸、6000元/噸。有整機商的主機銷售價格,已經接近甚至低于成本。

      對此,李輝認為,中速傳動機組的體積與重量相對較小,成本也具有較強競爭力,可靠性能夠得到有效把控,在目前的市場條件與技術發展趨勢下,不失為一條解決機組大型化技術難題的有效途徑。

      據李輝介紹,某3.xMW機型中速傳動機組機艙的重量僅為105噸,其發電機磁鋼用量不足300公斤;某6MW機型的發電機與齒輪箱的徑向尺寸僅為2.2米,整個傳動鏈的最大直徑處位于塔架軸心,也僅為3米。另據一家正在研發中速傳動技術的整機商透露,當單機容量達到15MW時,中速傳動機組與傳統機組的重量或將相差100余噸。主機重量輕、體積小的一個顯而易見好處是,能夠降低整機載荷,使用原材料更少,以實現更低的生產與運輸成本。

      “隨著頭部制造商的不懈努力,除主軸承與PLC外,我國已形成完整且開放的中速傳動技術國產零部件供應鏈體系,這也在一定程度上降低了產品成本。”李輝認為。

      此外,中速傳動機型的可靠性同樣更易把控,其齒輪箱普遍采用兩級行星輪傳動,主流機型發電機與齒輪箱通過殼體的剛性聯接而無需對中,為機組的可靠運行打下基礎。

      自主研發并不晚

      中速傳動并不是一項新技術,只是形成大規模應用的時間較短。

      “中速傳動是從雙饋與直驅技術派生的,吸收了雙方的特點,機械傳動部分類似雙饋,電氣傳動部分類似直驅。”李輝談到:“因此,它在國外也被稱為混合傳動,在國內為方便理解冠以‘半直驅’多年。”

      有信息顯示,最早進行中速傳動技術研究的是德國風電整機設計公司aerodyn。1998年前后,直驅技術已出現約10年,雙饋技術逐漸興起,設計工程師們發現,這兩項技術的差異明顯,且各有所長,便嘗試將雙方中和,做出中間的技術路線,寄望魚與熊掌兼得。通過進行大量技術研究,aerodyn最終形成4套可對比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW樣機,并實現批量化生產。第二套由Winwind開發為3MW和1MW兩款機型,3MW機型實現小批量投運,1MW機型被國內整機商引進。第三套為超緊湊型方案,由我國另一家整機商引進,并通過消化、吸收、再創新等不斷努力,實現了對該中速傳動技術路線的自主研發能力,開發出多款具備里程碑意義的機型,實現批量應用。第四套方案則未能實現成品落地。

      更值得關注的是,我國首臺中速傳動樣機并非來自于aerodyn方案,而是由我國頭部整機商純自主研發的產品。

      據此前媒體報道,這款單機容量為3MW的中速傳動機型,肇始于2006年的國家科技部立項,在2009年研制成功并實現樣機并網,是全球第三款實現樣機的中速傳動機型。

      一位參與相關研發的工程師,在與本刊記者談及該樣機的研發過程時提到,工程師們首先考慮的是中速傳統系的主軸系、齒輪箱、發電機三大組成部分應如何選擇,誰來制造,如何連接為一體等問題。

      “在樣機研發過程中,我們解決了一系列挑戰,現在看來仍是這類技術路線產品所普遍采用的方案。比如雙主軸承,一體化軸承座,大約40的傳動比,純自主研發的三大件聯接裝置,以及國產永磁發電機等。”這位工程師說:“這些問題解決了,3MW中速傳動樣機也就成功了。”

      談及該樣機的運行情況時,這位工程師表達更多的是認可:“樣機運行比較穩定,測試數據比設計預期要好。”

      據了解,目前我國已實現中速傳動機組樣機的整機商與設計公司,包括明陽智能、金風科技、三力新能、哈電風能、華創風能、南京中人等。

      有差距但能追趕

      即便是中速傳動技術路線陣營本身,根據主軸系、齒輪箱與發電機的集成度與組合關系,也可分為多種形式技術方案。

      首先是三者之間均有中間軸相連的中速傳動機組,傳動系統集成度較低,相對而言更接近雙饋機組的布局。這可以算作是第一種形式,但目前采用該形式的機型已屈指可數。

      隨著技術發展,齒輪箱與發電機之間的中間軸逐漸被設計工程師去除,但兩者仍相對獨立,由聯軸器連接在一起,實現了傳動系統的中度集成。在此基礎上,日前有國際齒輪箱制造商公開表示,其進一步集成了發電機與齒輪箱,將“發電機的轉子通過空心軸和軸承直接掛在齒輪箱的輸出太陽軸上,定子可以直接安裝在齒輪箱上”。這可以統歸為第二種形式的中速傳動技術。

      而將主軸系、齒輪箱、發電機全部集成在一起的超緊湊型機型,則可歸結為第三類中速傳動機型,是目前我國裝機容量最大、實現樣機單機容量最大的中速傳動形式。

      在談及中速傳動技術的未來發展時,李輝認為關鍵在于齒輪箱。“在由發電機與齒輪箱所組成的發電單元中,齒輪箱的重量占到三分之二,優化它的意義更大。”

      上述國際齒輪箱制造商的理解則更深層次地解釋了李輝的觀點:當機組單機容量與風輪直徑不斷增加時,扭矩增加速度將遠遠大于功率增加速度,這對于成本、重量、扭矩為正相關關系的齒輪箱是一項關鍵挑戰,如果齒輪箱想滿足三項目標,就必須提升自身扭矩密度。例如,如果兩個齒輪箱都是25噸,一個可以傳遞3MW功率,另一個可傳遞4MW功率,那么第二個齒輪箱的扭矩密度更大。

      另據李輝介紹,目前提升扭矩密度的主流方式有兩種:一是增加行星輪數量;二是功率分流技術。

      “齒輪箱行星輪數量越多,能夠分擔的總功率就越大,在同樣功率下齒輪箱重量就越輕。打個比方,同樣裝一車煤,5個人肯定比4個人裝省力。”李輝進一步解釋道:“常規齒輪箱能做到4個行星輪,而有國際齒輪箱企業宣傳最多能做到8個,這是需要我國廠家進一步提升技術水平的地方。”

      功率分流則是以另外一種方式分擔扭矩,簡而言之是將第一級的輸入功率分為兩路輸入,就如同一個重物需要由200千克的大胖子扛,但由兩個80千克的人一起承擔也能夠搬動。這項技術的挑戰在于,對設計要求較高,目前我國還沒有團隊進行這方面的研究工作。

      事實上,對于齒輪箱扭矩密度的提升,上述國際齒輪箱制造商已給出了明確的目標,即達到200牛米/千克以上。而據李輝介紹,目前我國傳統齒輪箱扭矩密度仍相差較遠,相關企業正努力通過工藝與技術進步實現提升。這或許就是中速傳動技術進一步實現內生性競爭力提升,所重點角力的地方。

      (應采訪對象要求,李輝為化名)

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      關鍵詞: 中速 風電技術 風電第三 風電

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