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电气风电康鹏举:技术创新-数字化时代竞争力的核心

日期:2021-05-13    来源:电气风电

国际风力发电网

2021
05/13
16:31
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关键词: 电气风电 康鹏举 上海电气

“市场需求推动了技术发展,在数字化时代,我们更加需要进行直接面向市场的技术产品创新,从被动的市场驱动产品、产品驱动技术到主动通过技术直接驱动产品及业务。”在谈到技术创新时,上海电气风电集团首席数字官、技术总经理康鹏举这样说道。

在电价“指挥棒”的左右下,紧跟陆上风电平价的步伐,2021年海上风电进入“抢装”状态的冲刺阶段。海上风电的“抢装”与陆上相比有过之而无不及,对产业链的扰动效应愈加明显。根据Wood Mackenzie的最新分析报告,随着陆上抢装的结束,陆上机组的技术创新需求暂时告一段落,而海上风电的技术创新及开发成为整机商和上游供应商竞相追逐的热点及焦点。Wood Mackenzie预测,这些技术的创新,在未来十年,将促使目前海上风电的LCOE成本降幅达到40%左右。


△ 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。


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


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。


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。


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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