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叶轮直径从70m到250m:大风机时代如何应对大叶轮挑战?

2022-08-02 10:25来源:球哥看风作者:球哥谈风关键词:风电叶片风电大型化风电技术收藏点赞

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2022年7月,安徽陆上风电主机首次出现4家企业风机机型叶轮直径超过200m,平均单机功率超过6MW,标志着大叶轮直径、大功率单机容量的大风机时代已经来临。同样,2022年的海上风电随着东方电气和上海电气10MW以上机型的下线,220m以上叶轮直径的海上单机大功率风机成为现实,如何在新的大风机技术潮流下赢得市场机会和提升产品竞争力,将会迎来一轮新的技术革新大潮。

(来源:微信公众号“球哥看风” 作者:球哥谈风)

陆上风机继续大:叶轮直径最大已达202m

7月,中国协合某风电场招标,这是一个低风速类似平原的风电场,要求塔筒高度160m,7家国内主机厂参与了投标,开标结果首次4家主机厂投标叶轮直径超过200m,此前,在6月份有个别项目个别主机企业开始投标200m叶轮直径的风机型号,但从这次的开标结果看,200m叶轮直径的风机已经开始成为低风速区域风电场的主流。

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这里我们可以简单的为大家科普一下:200m叶轮直径大小的概念,其扫风面积超过32000平方米,相当于4.5个标准足球场(国际足联规定的标准足球场场地大小为105米*68米,面积为7140平方米),其最大直径可以摆放3架boeing 747-100宽体客机(波音747-100型飞机:尺寸数据:翼展59.64米,机长70.66米)

2007年,国内企业引进了第一批德国技术的风机,基本都是1.5MW机型,叶轮直径为70m,而目前最大功率的陆上风电机组6MW,叶轮直径200m,功率增加4倍,叶轮直径增加近3倍。

海上风机更大:叶轮直径最大已达256m

看完陆上风机的叶轮直径,我们再看海上风机的叶轮直径:

明阳智能:2021年,明阳智能宣布其16MW海上风机进入试制,其16MW机型MySE16.0-242叶轮直径242米,叶片长118米,扫风面积可达46000平方米,相当于6个足球场大小

金风科技:2021年风能展,推出了GWH242-12MW机型,将采用中速永磁技术,叶轮直径242m,明确指出,采用全新一代中速永磁技术,也就是齿轮箱技术路线。

东方电气:2022年,东方电气D13000-211首次主机下线,叶轮直径211m,但是国内目前最先下线的海上10MW以上海上风机

电气风电:2021年风能展前推出了EW11.0-208机型,2022年7月成功下线。

中国海装:2021年,风能展上,中国海装推出了16MW海上新机型:H256-16MW,这是目前国内在研最大功率,最大叶轮直径的海上风机。采用第三代半直驱路线,显然高功率密度传动链技术助力不小。

运达股份:媒体有消息称,运达股份将发布WD245-15000 海上新机型。

国内虽然功率弯道超车,显然略显激进,海外三巨头虽然起得早,但是走得稳,步步为营。

维斯塔斯:2020年已经推出了V236-15.0MW,即将进入商业运行。

GE:2021年,GE推出 Haliade X 14MW-220,目前已经完成样机。

西门子歌美飒:2021年,SG宣布其最大容量的G 14-236 DD海上风机将在2024年商业运行,叶轮半径达到了236米、扫风面积约43,500平方米,此前,该模型基于西门子歌美飒现有的旗舰风机——SG 14-222 DD。

2009年,中国第一个真正意义上的海上风电场,上海东大桥风电场的风机采用了华锐风电的第一款真正3MW海上风机,其叶轮直径92m,到今天的16MW,叶轮直径256m,功率增加5倍多,叶轮直径近3倍。

单纯我们看风机叶轮直径在朝着大的方向发展,其实这是风机技术的发展的必然,这里我们要关注到一个新的参数:单位功率的能量密度,单位千瓦扫风面积。也就是说,同样的风吹过来,有多少风能能被风机捕获,我们可以简单回顾一下单位千瓦扫风面积的发展之路。

风机单位扫风面积提升3倍:叶片新技术功不可没

2007年,市场主流的第一批1.5MW风机叶轮直径为70m,包括当时的金风科技,华锐风电,东方电气以及联合动力等当期头部企业,其单位扫风面积仅有2.54m2/kw;2008年到2009年,1.5MW的主流风机叶轮直径最大93m,单位千瓦扫风面积提升到了4.52m2/kw。2MW时代最主流也是最大叶轮直径的机型为116m,单位千瓦扫风面积达到了5.28m2/kw,此后一直保持稳定,3.x平台下,3.6-168机型叶轮直径达到了6.18m2/kw。

2022年,4MW时代迎来了金风科技最大的叶轮直径风机,其数据已经提升到了7.16m2/kw。从2007年到2022年15年时间,单位千瓦扫风面积提升了近3倍,在叶轮直径增大的同时,机型的能量捕获能力大幅提升是风机性价比提升的关键。而这关键的贡献者就是叶片。

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风机叶片是集空气动力学、材料学、结构力学一体的关键部件,看似简单的叶片部件,在过去的15年发展历程中,中国风电人从一个引进者到一个学习者,再到一个创新者,实现了风电叶片的自我创新,包括原材料的国产化,关键芯材的替代,叶片主梁工艺创新,叶片设计能力的自主研发。并因为中国风电的蓬勃发展,一举成为世界叶片大国和强国,无论是设计能力,制造能力还是创新能力,都是全球领先。

当然,创新就会面临着风险,创新速度过快就会埋下技术隐患,风电的设计风险依旧存在,在过去的几年中,叶片的设计也有个别企业在市场的竞争中被淘汰,一方面是技术本身的竞争力下降,一方面是质量管控埋下的隐患,所以说创新既要大胆,还要严谨,在可靠的前提下实现高速发展。

风机的单机功率越来越大是技术发展的必然潮流,而提升风机的风能捕获能力就成为了重中之重,如何在大功率风机的发展潮流下,进一步提升风机的风能捕获能力,将是新一代大功率风机的新挑战。

大功率风机提升部分能力:风机设计挖潜增效是关键

过去15年,风机的叶轮直径翻三倍,捕风能力也接近3倍,如何把捕获风能的增加值有效转化为电能,这是近几年风电装备产业的创新目标。中国海装提出了高功率密度的传动链技术,金风科技提出的新一代中速永磁技术路线,当下流行的独立变桨技术,滑动偏航技术,还有双发电机技术(三一曾经早期开展过,后期放弃,当下这种技术又有新的发展),这些林林总总都在为风机的捕风能力和增效能力提升发挥作用。

从风能的转化效率天花板看来,实际的风能转化效率目前仅为理论转化效率的75%左右(0.593的转化效率-Cp值,实际在0.45),如果能提升5个百分点,同样的风机发电能力提升5-10%(到85%),在不增加原材料和不增加部件的情况下,这将是风机设计领域的一次重大革新。当然,这里面涉及到发电机的效率,传动链的效率,变流器的效率,叶片的实际捕风能力提升。

个人认为海陆风机的单纯大型化目前阶段已经到了一个拐点,行业有必要在当前海陆风机大型化的现有目标参数形势下,进一步降低成本,提升风机能效。

这一点需要学光伏,组件的效率提升一直持续,当然风机的效率提升难度大,风机叶片在空中的能力捕获变化因素太多,同时塔筒的形式和高度也对风机发电能力产生较大影响,在平价时代,需要对风电整机从基础到塔筒,到风机整机大部件及系统控制各个环节进行挖潜设计优化和创新,降载,减重,增效,进一步提升大功率风机的大优势。

单纯的大叶轮和大功率并不能体现大风机的优势,而是在同等捕风能力的条件下,更低成本,更高的发电量,更稳定的运行效果,否则简单的大风机并不一定有大优势。

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