《風(fēng)能》市場(chǎng) | 半直驅(qū)，風(fēng)電第三勢(shì)力興起

半直驅(qū)，風(fēng)電第三勢(shì)力興起

作為除雙饋與直驅(qū)外的第三大主流技術(shù)路線，中速傳動(dòng)正快速興起，這源于風(fēng)電行業(yè)對(duì)更低度電成本的主動(dòng)探索。

種種跡象表明，中速傳動(dòng)(也稱“半直驅(qū)、混合”)技術(shù)的春天來(lái)了。

一位部件制造商生產(chǎn)負(fù)責(zé)人向本刊記者透露，他所在的企業(yè)正為20余款中速傳動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行部件生產(chǎn)或試制，當(dāng)然，這其中不乏一家整機(jī)商的多款機(jī)型。另?yè)?jù)了解，國(guó)內(nèi)排名靠前的整機(jī)商，大多數(shù)在評(píng)估是否轉(zhuǎn)向或添加這一技術(shù)路線，實(shí)際上已有整機(jī)商立起樣機(jī)，有的正在開(kāi)發(fā)此類產(chǎn)品。

這種熱火朝天的景象，在一年前還難以想象。曾經(jīng)被無(wú)數(shù)業(yè)內(nèi)人士奚落的“半吊子”，如今成了“香饃饃”，風(fēng)電技術(shù)路線除雙饋、直驅(qū)外的第三勢(shì)力正迅速崛起。

全球數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。能源調(diào)研機(jī)構(gòu)Wood Mackenzie預(yù)測(cè)，到2029年中速傳動(dòng)機(jī)組在全球陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電市場(chǎng)的占有率將分別達(dá)到45%、34%。稍加時(shí)日，中速傳動(dòng)甚至可能坐上風(fēng)電技術(shù)路線的“第二把交椅”。

市場(chǎng)需求說(shuō)了算

“從企業(yè)經(jīng)營(yíng)角度來(lái)說(shuō)，技術(shù)是為市場(chǎng)服務(wù)的，市場(chǎng)需要什么，技術(shù)就怎么跟。在不同市場(chǎng)條件下，技術(shù)需要持續(xù)跟蹤、動(dòng)態(tài)調(diào)整。任何技術(shù)路線沒(méi)有誰(shuí)領(lǐng)先誰(shuí)的問(wèn)題，只有市場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題。”對(duì)于愈演愈烈的中速傳動(dòng)熱潮，某整機(jī)商產(chǎn)品總監(jiān)李輝認(rèn)為。

市場(chǎng)與技術(shù)確實(shí)在不斷演進(jìn)，受技術(shù)進(jìn)步與成本控制影響，在顛覆性技術(shù)出現(xiàn)之前，風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢(shì)已是不爭(zhēng)的事實(shí)。據(jù)李輝預(yù)測(cè)，未來(lái)5年海上機(jī)組單機(jī)容量將以年均1MW的速度遞增，這意味著單機(jī)容量將由如今的10MW左右，在5年內(nèi)發(fā)展到15MW以上。陸上機(jī)組單機(jī)容量相對(duì)較小，但在大型化方面也不會(huì)放慢腳步，已有不少整機(jī)商喊出了“海陸同款”的產(chǎn)品推廣計(jì)劃。

在目前技術(shù)條件下，隨著機(jī)組的體積與重量不斷增加，機(jī)組運(yùn)輸難度將由量變引發(fā)質(zhì)變;出于對(duì)成本與可靠性的考慮，一些機(jī)型的發(fā)電機(jī)不斷增大，其發(fā)電效率也將受到挑戰(zhàn);更高的運(yùn)維難度則要求大型海上機(jī)組運(yùn)行必須足夠可靠，這給采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的整機(jī)商出了難題。

如果說(shuō)大型化對(duì)于整機(jī)商技術(shù)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(dòng)的導(dǎo)火索。

近期我國(guó)陸上風(fēng)電主機(jī)的平均價(jià)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(jià)、螺紋鋼價(jià)則分別由同期的4萬(wàn)元/噸、3600元/噸，分別上升到6.8萬(wàn)元/噸、6000元/噸。有整機(jī)商的主機(jī)銷(xiāo)售價(jià)格，已經(jīng)接近甚至低于成本。

對(duì)此，李輝認(rèn)為，中速傳動(dòng)機(jī)組的體積與重量相對(duì)較小，成本也具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，可靠性能夠得到有效把控，在目前的市場(chǎng)條件與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，不失為一條解決機(jī)組大型化技術(shù)難題的有效途徑。

據(jù)李輝介紹，某3.xMW機(jī)型中速傳動(dòng)機(jī)組機(jī)艙的重量?jī)H為105噸，其發(fā)電機(jī)磁鋼用量不足300公斤;某6MW機(jī)型的發(fā)電機(jī)與齒輪箱的徑向尺寸僅為2.2米，整個(gè)傳動(dòng)鏈的最大直徑處位于塔架軸心，也僅為3米。另?yè)?jù)一家正在研發(fā)中速傳動(dòng)技術(shù)的整機(jī)商透露，當(dāng)單機(jī)容量達(dá)到15MW時(shí)，中速傳動(dòng)機(jī)組與傳統(tǒng)機(jī)組的重量或?qū)⑾嗖?00余噸。主機(jī)重量輕、體積小的一個(gè)顯而易見(jiàn)好處是，能夠降低整機(jī)載荷，使用原材料更少，以實(shí)現(xiàn)更低的生產(chǎn)與運(yùn)輸成本。

“隨著頭部制造商的不懈努力，除主軸承與PLC外，我國(guó)已形成完整且開(kāi)放的中速傳動(dòng)技術(shù)國(guó)產(chǎn)零部件供應(yīng)鏈體系，這也在一定程度上降低了產(chǎn)品成本。”李輝認(rèn)為。

此外，中速傳動(dòng)機(jī)型的可靠性同樣更易把控，其齒輪箱普遍采用兩級(jí)行星輪傳動(dòng)，主流機(jī)型發(fā)電機(jī)與齒輪箱通過(guò)殼體的剛性聯(lián)接而無(wú)需對(duì)中，為機(jī)組的可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

自主研發(fā)并不晚

中速傳動(dòng)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，只是形成大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)間較短。

“中速傳動(dòng)是從雙饋與直驅(qū)技術(shù)派生的，吸收了雙方的特點(diǎn)，機(jī)械傳動(dòng)部分類似雙饋，電氣傳動(dòng)部分類似直驅(qū)。”李輝談到：“因此，它在國(guó)外也被稱為混合傳動(dòng)，在國(guó)內(nèi)為方便理解冠以‘半直驅(qū)’多年。”

有信息顯示，最早進(jìn)行中速傳動(dòng)技術(shù)研究的是德國(guó)風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)公司aerodyn。1998年前后，直驅(qū)技術(shù)已出現(xiàn)約10年，雙饋技術(shù)逐漸興起，設(shè)計(jì)工程師們發(fā)現(xiàn)，這兩項(xiàng)技術(shù)的差異明顯，且各有所長(zhǎng)，便嘗試將雙方中和，做出中間的技術(shù)路線，寄望魚(yú)與熊掌兼得。通過(guò)進(jìn)行大量技術(shù)研究，aerodyn最終形成4套可對(duì)比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。第二套由Winwind開(kāi)發(fā)為3MW和1MW兩款機(jī)型，3MW機(jī)型實(shí)現(xiàn)小批量投運(yùn)，1MW機(jī)型被國(guó)內(nèi)整機(jī)商引進(jìn)。第三套為超緊湊型方案，由我國(guó)另一家整機(jī)商引進(jìn)，并通過(guò)消化、吸收、再創(chuàng)新等不斷努力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該中速傳動(dòng)技術(shù)路線的自主研發(fā)能力，開(kāi)發(fā)出多款具備里程碑意義的機(jī)型，實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。第四套方案則未能實(shí)現(xiàn)成品落地。

更值得關(guān)注的是，我國(guó)首臺(tái)中速傳動(dòng)樣機(jī)并非來(lái)自于aerodyn方案，而是由我國(guó)頭部整機(jī)商純自主研發(fā)的產(chǎn)品。

據(jù)此前媒體報(bào)道，這款單機(jī)容量為3MW的中速傳動(dòng)機(jī)型，肇始于2006年的國(guó)家科技部立項(xiàng)，在2009年研制成功并實(shí)現(xiàn)樣機(jī)并網(wǎng)，是全球第三款實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的中速傳動(dòng)機(jī)型。

一位參與相關(guān)研發(fā)的工程師，在與本刊記者談及該樣機(jī)的研發(fā)過(guò)程時(shí)提到，工程師們首先考慮的是中速傳統(tǒng)系的主軸系、齒輪箱、發(fā)電機(jī)三大組成部分應(yīng)如何選擇，誰(shuí)來(lái)制造，如何連接為一體等問(wèn)題。

“在樣機(jī)研發(fā)過(guò)程中，我們解決了一系列挑戰(zhàn)，現(xiàn)在看來(lái)仍是這類技術(shù)路線產(chǎn)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(dòng)比，純自主研發(fā)的三大件聯(lián)接裝置，以及國(guó)產(chǎn)永磁發(fā)電機(jī)等。”這位工程師說(shuō)：“這些問(wèn)題解決了，3MW中速傳動(dòng)樣機(jī)也就成功了。”

談及該樣機(jī)的運(yùn)行情況時(shí)，這位工程師表達(dá)更多的是認(rèn)可：“樣機(jī)運(yùn)行比較穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)比設(shè)計(jì)預(yù)期要好。”

據(jù)了解，目前我國(guó)已實(shí)現(xiàn)中速傳動(dòng)機(jī)組樣機(jī)的整機(jī)商與設(shè)計(jì)公司，包括明陽(yáng)智能、金風(fēng)科技、三力新能、哈電風(fēng)能、華創(chuàng)風(fēng)能、南京中人等。

有差距但能追趕

即便是中速傳動(dòng)技術(shù)路線陣營(yíng)本身，根據(jù)主軸系、齒輪箱與發(fā)電機(jī)的集成度與組合關(guān)系，也可分為多種形式技術(shù)方案。

首先是三者之間均有中間軸相連的中速傳動(dòng)機(jī)組，傳動(dòng)系統(tǒng)集成度較低，相對(duì)而言更接近雙饋機(jī)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(jī)型已屈指可數(shù)。

隨著技術(shù)發(fā)展，齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的中間軸逐漸被設(shè)計(jì)工程師去除，但兩者仍相對(duì)獨(dú)立，由聯(lián)軸器連接在一起，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)的中度集成。在此基礎(chǔ)上，日前有國(guó)際齒輪箱制造商公開(kāi)表示，其進(jìn)一步集成了發(fā)電機(jī)與齒輪箱，將“發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)空心軸和軸承直接掛在齒輪箱的輸出太陽(yáng)軸上，定子可以直接安裝在齒輪箱上”。這可以統(tǒng)歸為第二種形式的中速傳動(dòng)技術(shù)。

而將主軸系、齒輪箱、發(fā)電機(jī)全部集成在一起的超緊湊型機(jī)型，則可歸結(jié)為第三類中速傳動(dòng)機(jī)型，是目前我國(guó)裝機(jī)容量最大、實(shí)現(xiàn)樣機(jī)單機(jī)容量最大的中速傳動(dòng)形式。

在談及中速傳動(dòng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展時(shí)，李輝認(rèn)為關(guān)鍵在于齒輪箱。“在由發(fā)電機(jī)與齒輪箱所組成的發(fā)電單元中，齒輪箱的重量占到三分之二，優(yōu)化它的意義更大。”

上述國(guó)際齒輪箱制造商的理解則更深層次地解釋了李輝的觀點(diǎn)：當(dāng)機(jī)組單機(jī)容量與風(fēng)輪直徑不斷增加時(shí)，扭矩增加速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率增加速度，這對(duì)于成本、重量、扭矩為正相關(guān)關(guān)系的齒輪箱是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如果齒輪箱想滿足三項(xiàng)目標(biāo)，就必須提升自身扭矩密度。例如，如果兩個(gè)齒輪箱都是25噸，一個(gè)可以傳遞3MW功率，另一個(gè)可傳遞4MW功率，那么第二個(gè)齒輪箱的扭矩密度更大。

另?yè)?jù)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(shù)量;二是功率分流技術(shù)。

“齒輪箱行星輪數(shù)量越多，能夠分擔(dān)的總功率就越大，在同樣功率下齒輪箱重量就越輕。打個(gè)比方，同樣裝一車(chē)煤，5個(gè)人肯定比4個(gè)人裝省力。”李輝進(jìn)一步解釋道：“常規(guī)齒輪箱能做到4個(gè)行星輪，而有國(guó)際齒輪箱企業(yè)宣傳最多能做到8個(gè)，這是需要我國(guó)廠家進(jìn)一步提升技術(shù)水平的地方。”

功率分流則是以另外一種方式分擔(dān)扭矩，簡(jiǎn)而言之是將第一級(jí)的輸入功率分為兩路輸入，就如同一個(gè)重物需要由200千克的大胖子扛，但由兩個(gè)80千克的人一起承擔(dān)也能夠搬動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，對(duì)設(shè)計(jì)要求較高，目前我國(guó)還沒(méi)有團(tuán)隊(duì)進(jìn)行這方面的研究工作。

事實(shí)上，對(duì)于齒輪箱扭矩密度的提升，上述國(guó)際齒輪箱制造商已給出了明確的目標(biāo)，即達(dá)到200牛米/千克以上。而據(jù)李輝介紹，目前我國(guó)傳統(tǒng)齒輪箱扭矩密度仍相差較遠(yuǎn)，相關(guān)企業(yè)正努力通過(guò)工藝與技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)提升。這或許就是中速傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)內(nèi)生性競(jìng)爭(zhēng)力提升，所重點(diǎn)角力的地方。

(應(yīng)采訪對(duì)象要求，李輝為化名)