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半直驱!风电第三势力兴起

北极星风力发电网  来源:《风能》杂志  作者:赵靓,薛辰  2021/8/31 9:08:22  我要投稿  

北极星风力发电网讯:作为除双馈与直驱外的第三大主流技术路线,中速传动正快速兴起,这源于风电行业对更低度电成本的主动探索。

种种迹象表明,中速传动(也称“半直驱、混合”)技术的春天来了。

一位部件制造商生产负责人向本刊记者透露,他所在的企业正为20余款中速传动产品进行部件生产或试制,当然,这其中不乏一家整机商的多款机型。另据了解,国内排名靠前的整机商,大多数在评估是否转向或添加这一技术路线,实际上已有整机商立起样机,有的正在开发此类产品。

这种热火朝天的景象,在一年前还难以想象。曾经被无数业内人士奚落的“半吊子”,如今成了“香馍馍”,风电技术路线除双馈、直驱外的第三势力正迅速崛起。

全球数据也呈现出同样的趋势。能源调研机构Wood Mackenzie预测,到2029年中速传动机组在全球陆上风电、海上风电市场的占有率将分别达到45%、34%。稍加时日,中速传动甚至可能坐上风电技术路线的“第二把交椅”。

市场需求说了算

“从企业经营角度来说,技术是为市场服务的,市场需要什么,技术就怎么跟。在不同市场条件下,技术需要持续跟踪、动态调整。任何技术路线没有谁领先谁的问题,只有市场适应性问题。”对于愈演愈烈的中速传动热潮,某整机商产品总监李辉认为。

市场与技术确实在不断演进,受技术进步与成本控制影响,在颠覆性技术出现之前,风电机组大型化趋势已是不争的事实。据李辉预测,未来5年海上机组单机容量将以年均1MW的速度递增,这意味着单机容量将由如今的10MW左右,在5年内发展到15MW以上。陆上机组单机容量相对较小,但在大型化方面也不会放慢脚步,已有不少整机商喊出了“海陆同款”的产品推广计划。

在目前技术条件下,随着机组的体积与重量不断增加,机组运输难度将由量变引发质变;出于对成本与可靠性的考虑,一些机型的发电机不断增大,其发电效率也将受到挑战;更高的运维难度则要求大型海上机组运行必须足够可靠,这给采用传统技术路线的整机商出了难题。

如果说大型化对于整机商技术提升与变革的要求还不是火烧眉毛,那么,成本倒逼可能是催促其立即行动的导火索。

近期我国陆上风电主机的平均价格快速下降,由2020年6月的3450元/千瓦,快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而铜价、螺纹钢价则分别由同期的4万元/吨、3600元/吨,分别上升到6.8万元/吨、6000元/吨。有整机商的主机销售价格,已经接近甚至低于成本。

对此,李辉认为,中速传动机组的体积与重量相对较小,成本也具有较强竞争力,可靠性能够得到有效把控,在目前的市场条件与技术发展趋势下,不失为一条解决机组大型化技术难题的有效途径。

据李辉介绍,某3.xMW机型中速传动机组机舱的重量仅为105吨,其发电机磁钢用量不足300公斤;某6MW机型的发电机与齿轮箱的径向尺寸仅为2.2米,整个传动链的最大直径处位于塔架轴心,也仅为3米。另据一家正在研发中速传动技术的整机商透露,当单机容量达到15MW时,中速传动机组与传统机组的重量或将相差100余吨。主机重量轻、体积小的一个显而易见好处是,能够降低整机载荷,使用原材料更少,以实现更低的生产与运输成本。

“随着头部制造商的不懈努力,除主轴承与PLC外,我国已形成完整且开放的中速传动技术国产零部件供应链体系,这也在一定程度上降低了产品成本。”李辉认为。

此外,中速传动机型的可靠性同样更易把控,其齿轮箱普遍采用两级行星轮传动,主流机型发电机与齿轮箱通过壳体的刚性联接而无需对中,为机组的可靠运行打下基础。

自主研发并不晚

中速传动并不是一项新技术,只是形成大规模应用的时间较短。

“中速传动是从双馈与直驱技术派生的,吸收了双方的特点,机械传动部分类似双馈,电气传动部分类似直驱。”李辉谈到:“因此,它在国外也被称为混合传动,在国内为方便理解冠以‘半直驱’多年。”

有信息显示,最早进行中速传动技术研究的是德国风电整机设计公司aerodyn。1998年前后,直驱技术已出现约10年,双馈技术逐渐兴起,设计工程师们发现,这两项技术的差异明显,且各有所长,便尝试将双方中和,做出中间的技术路线,寄望鱼与熊掌兼得。通过进行大量技术研究,aerodyn最终形成4套可对比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW样机,并实现批量化生产。第二套由Winwind开发为3MW和1MW两款机型,3MW机型实现小批量投运,1MW机型被国内整机商引进。第三套为超紧凑型方案,由我国另一家整机商引进,并通过消化、吸收、再创新等不断努力,实现了对该中速传动技术路线的自主研发能力,开发出多款具备里程碑意义的机型,实现批量应用。第四套方案则未能实现成品落地。

更值得关注的是,我国首台中速传动样机并非来自于aerodyn方案,而是由我国头部整机商纯自主研发的产品。

据此前媒体报道,这款单机容量为3MW的中速传动机型,肇始于2006年的国家科技部立项,在2009年研制成功并实现样机并网,是全球第三款实现样机的中速传动机型。

一位参与相关研发的工程师,在与本刊记者谈及该样机的研发过程时提到,工程师们首先考虑的是中速传统系的主轴系、齿轮箱、发电机三大组成部分应如何选择,谁来制造,如何连接为一体等问题。

“在样机研发过程中,我们解决了一系列挑战,现在看来仍是这类技术路线产品所普遍采用的方案。比如双主轴承,一体化轴承座,大约40的传动比,纯自主研发的三大件联接装置,以及国产永磁发电机等。”这位工程师说:“这些问题解决了,3MW中速传动样机也就成功了。”

谈及该样机的运行情况时,这位工程师表达更多的是认可:“样机运行比较稳定,测试数据比设计预期要好。”

据了解,目前我国已实现中速传动机组样机的整机商与设计公司,包括明阳智能、金风科技、三力新能、哈电风能、华创风能、南京中人等。

有差距但能追赶

即便是中速传动技术路线阵营本身,根据主轴系、齿轮箱与发电机的集成度与组合关系,也可分为多种形式技术方案。

首先是三者之间均有中间轴相连的中速传动机组,传动系统集成度较低,相对而言更接近双馈机组的布局。这可以算作是第一种形式,但目前采用该形式的机型已屈指可数。

随着技术发展,齿轮箱与发电机之间的中间轴逐渐被设计工程师去除,但两者仍相对独立,由联轴器连接在一起,实现了传动系统的中度集成。在此基础上,日前有国际齿轮箱制造商公开表示,其进一步集成了发电机与齿轮箱,将“发电机的转子通过空心轴和轴承直接挂在齿轮箱的输出太阳轴上,定子可以直接安装在齿轮箱上”。这可以统归为第二种形式的中速传动技术。

而将主轴系、齿轮箱、发电机全部集成在一起的超紧凑型机型,则可归结为第三类中速传动机型,是目前我国装机容量最大、实现样机单机容量最大的中速传动形式。

在谈及中速传动技术的未来发展时,李辉认为关键在于齿轮箱。“在由发电机与齿轮箱所组成的发电单元中,齿轮箱的重量占到三分之二,优化它的意义更大。”

上述国际齿轮箱制造商的理解则更深层次地解释了李辉的观点:当机组单机容量与风轮直径不断增加时,扭矩增加速度将远远大于功率增加速度,这对于成本、重量、扭矩为正相关关系的齿轮箱是一项关键挑战,如果齿轮箱想满足三项目标,就必须提升自身扭矩密度。例如,如果两个齿轮箱都是25吨,一个可以传递3MW功率,另一个可传递4MW功率,那么第二个齿轮箱的扭矩密度更大。

另据李辉介绍,目前提升扭矩密度的主流方式有两种:一是增加行星轮数量;二是功率分流技术。

“齿轮箱行星轮数量越多,能够分担的总功率就越大,在同样功率下齿轮箱重量就越轻。打个比方,同样装一车煤,5个人肯定比4个人装省力。”李辉进一步解释道:“常规齿轮箱能做到4个行星轮,而有国际齿轮箱企业宣传最多能做到8个,这是需要我国厂家进一步提升技术水平的地方。”

功率分流则是以另外一种方式分担扭矩,简而言之是将第一级的输入功率分为两路输入,就如同一个重物需要由200千克的大胖子扛,但由两个80千克的人一起承担也能够搬动。这项技术的挑战在于,对设计要求较高,目前我国还没有团队进行这方面的研究工作。

事实上,对于齿轮箱扭矩密度的提升,上述国际齿轮箱制造商已给出了明确的目标,即达到200牛米/千克以上。而据李辉介绍,目前我国传统齿轮箱扭矩密度仍相差较远,相关企业正努力通过工艺与技术进步实现提升。这或许就是中速传动技术进一步实现内生性竞争力提升,所重点角力的地方。


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