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△ 电气风电8MW海上风机(左)
随着机组的大型化,深远海开发的诸多挑战,物流运输及现场的安装难度也进一步加大,这要求整机商更加充分地借助平台开发策略,研发分段叶片、分段式塔筒、混塔现场浇筑、机舱和轮毂的模块化等。从海上风电全生命周期看,平价的主要驱动力就是风电产业技术进步、风机效率的提升。因此,需要通过对风电机组控制策略、叶片、塔架、并网特性的深度定制和研究,实现风电机组与海上风电工程设计的整体优化,避免各部件单独设计导致过剩及浪费,有效降低海上风电度电成本。
机组关键部件及技术的创新与穿透
在这里,分别就几个大部件及重点技术,逐一进行讨论,包括叶片、传动链、塔架以及漂浮式技术等。
叶片
近年来,碳纤维及其复合材料在风电叶片领域的使用越发广泛,风电机组的大型化和海上化极大地拉动了对碳纤维叶片的需求。传统玻纤叶片已无法满足风电叶片大型化、轻量化的发展趋势。随着80—90m的叶片逐步成为市场主流,100-110m的叶片开始进入市场,超长叶片对材料的强度和刚度提出更加严苛的要求。因此,整机厂需要在具有高性能的新材料、碳纤维、树脂以及叶片的核心材料的开发以及应用方面加大创新步伐,进行成熟的国产化应用,开发出综合空气动力学、结构设计以及叶片重量上更具有竞争力的产品。
△ 电气风电自主研发的S90叶片是世界最长玻纤叶片
传动链
轻量化、大型化对于驱动链的创新需求则更加强烈,更紧凑的半直驱技术可以大大减少部件数量、实现发电机免维护等。大兆瓦的直驱技术机构简单,整体发电效率高,电网友好性能优异。通过机械与电驱的深度耦合,创新出可靠性高并具有成本优势的新型驱动链。而从部件角度来看,比如齿轮箱,我们需要通过材料创新来提高齿轮箱的功率密度,通过控制策略及相关技术的革新来降低噪音和振动,确保机组运行更加稳定,延长机组寿命。同时,还要加大数字化技术在扭矩测量中的应用,提高机组的故障检测与预测能力。而电控系统,则需要进一步提高机组的故障穿越能力,一次调频,以及解决次同步振荡等关键问题。
塔架
随着陆上风场机组容量、塔架高度不断增加,底段塔架用钢量的占比非常大,底段甚至占整体用钢量的30%。通过对海上导管架基础进行结构优化,开发出新型支撑结构,该项技术具备基础施工速度快、塔架用钢量少、吊装方便等优点,可以更好地满足陆上平价市场对于支撑结构的需求。说到创新,这里顺便提一下,瑞典设计公司Modovion正在尝试开发出一种适合分段塔架所使用的木材,这是塔架结构材料方面的创新技术,这种结构材料包括了胶合木材和单板层积木材。未来,将会有更多新型的塔架相关技术涌现,不但能够更好地利用风能资源,还能降低风塔高度增加随带来的扩展成本。
漂浮式技术
中国海域的最大特点是大陆架坡度缓,所以即便离岸100公里,水深也仅仅30—50米。如何走出一条满足中国特色的海上风电之路,适应国内的环境及市场,风机与基础的最优匹配以及强耦合,是漂浮式风机的系统工程问题,也是技术型式竞争的关键。漂浮式风电能够释放更大的海上风能资源技术潜力(海上风电技术可开发潜力的72%在深海),获得更好的风况,从而获得更高的容量系数。但目前漂浮式海上风电面临着几个大难题,包括:居高不下的前期成本、更长的项目周期、漂浮式机组所需的基础设施,以及更全面的测试和样机演示时间(包括应对变桨、抵抗恶劣天气条件以及处理海缆的复杂性等)。此外,漂浮式海上风电解决方案的设计也仍处于早期阶段,有待进一步的深入研究。
拥抱能源互联网 加大风电技术创新步伐
然而,技术的创新不能仅仅停留在部件设计创新上,还要上升到子系统、系统的系统,以及从大系统的层面进行创新。这意味着需要拥抱能源互联网、利用能源互联网的核心技术,以及相关数字化技术,如虚拟电厂技术、能源路由器技术,以及此前提到的数字孪生技术等,实现风光水火储一体化、源网荷储一体化等。
【虚拟电厂技术】
主要是指改善风、光等发电系统间歇式性能,减少新能源不确定性对接入电网的不利影响,提高能量转换价值,增加电网对可再生能源吸纳程度,并且可以对电网负荷进行适当的改善,提供电网的消峰填谷能力。
【能源路由平台】
能源路由平台是实现源网荷储一体化的关键技术,让能源能够像信息一样交互、智能分配、即插即用,实现点对点的能源交易。
展望未来:风电技术及机组
风电是多学科的融合技术,“十四五”大规模风电并网,对风电机组的智能化、数字化要求会越来越高,我们都必须从风/机/场/网/环/数/新等方面深挖,全面提升风电全生命周期综合技术能力。
从风电历史发展过程来看,塔筒更高、叶轮更长、容量更大,容量每十年就要至少翻倍。到目前为止,风机已成为人类创造出的最大的旋转机械,今天的一台风机的叶轮直径就如同是一个足球场的大小。
如果遵循“风电的摩尔定律”,可以看出机组的大型化是未来发展的趋势,同时陆上与海上风电的全球度电成本也将逐步降低,这势必需要技术做出颠覆性的突破。传统的叶片、塔筒等关键部件的技术已经无法满足15MW以上机组的需求,大型化机组的创新技术必须应运而生,来满足机组的发展。
近年来,电气风电在新技术、新领域、新的合作模式等方面持续进行探索和创新,深化数字化转型,不断加速技术创新,利用数字孪生技术,将操作和物理输入与高级仿真相结合,优化设计并降低机组成本。同时,积极开发机组数字化产品,通过对机组海量数据的精准分析及预测,实现对风场和机组智能化运营,充分发挥上下产业链条的协同价值,最终实现客户利益的最大化。
△ 电气风电首席数字官、技术总经理 康鹏举
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