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远景能源:海上风机叶片必然走向碳纤维材料这个“无人区”
发布时间:2019-12-11   浏览次数:105

12月7日,在“2019中国海上风电工程技术大会”上,远景能源海上产品线总经理谢德奎发表主旨演讲。他认为目前中国海上风机发展的两大瓶颈是叶片和主轴承。在当前海上风机供不应求的特殊时段,整机商更要注重在可获得供应链基础上为客户提供可满足投资收益的海上产品解决方案,助力中国海上风电理性持续发展。

谢德奎回顾了欧洲与中国风机叶片的发展历程。1991到2015年间,中国风机功率和叶片是跟随者,但到2017年,中国出现了直径171米的风轮,超过欧洲直径164米的风轮。2019年,欧美推出直径为220米的更大风轮。就风轮直径而言,中国和欧洲几乎站到一个平台上,中国海上风机叶片发展以及整机设计进入了无人区。

全球知名《科学》杂志指出,随着海上风机风轮增大,风能行业面临空气动力学、结构动力学和水动力学三大挑战,而这三个领域在基础科学方面的研究已经跟不上风轮直径的发展。在航空业的百年发展历程中,民航飞机最大翼展也还没有超过80米,而历史不到四十年的风电行业,风轮直径已经达到200米。

谢德奎以此警示风电行业在工程技术科学上要循序渐进,稳扎稳打。他说,叶片长度增加要以材料和制造技术的突破为基础,单纯依赖旧有技术增加叶片尺寸无法支持海上风电的进一步发展。

支撑更长海上叶片必然要走向碳纤维材料这个“无人区”,这也让中国风电设计又回到了10年前。叶片设计需要欧洲设计公司,核心原材料及工艺设备供应链掌握在德国或日本企业手里。此外,大型模具投资额度大、时间长,工艺水平不成熟,超大叶片的加工效率也比主流叶片低3-4倍。在当前中国海上风电大规模抢装的背景下,这些成为业主保障项目上网电价的巨大瓶颈。谢德奎强调,大型碳纤维叶片的设计、工艺、测试验证与供应链把控都需要闭环验证的过程,如果没有基础科学层面的研究和突破,没有在技术工程层面做循序渐进的工程实践与验证,做出来的大叶轮可能是一个巨大的俄罗斯赌博轮盘。

另外,鉴于当前海上风电大规模交付的情况,谢德奎在介绍远景海上大叶片技术开发特色时表示,远景的大叶片开发思路通常都是陆上成熟再往海上引进。远景设立在中国的全球研发总部、丹麦的全球风电技术创新中心和美国的空气动力学与气象研发中心等全球顶尖叶片开发团队,其开发过程引入航空航天的技术成熟度TRL和制造成熟度MRL,供应链成熟度全覆盖,且实现新技术、新产品和新工艺的测试验证以及供应链能力闭环,保障交付可靠性,保证开发完成即实现批量交付。

谈到另一个瓶颈主轴承时,谢德奎称主要来自于大轴承设计挑战、供应链挑战和安装工艺挑战。具体到海上大风机主轴承供应链瓶颈,谢德奎谈到三点,一是大兆瓦主轴承轴圈直径一般超过2m,与铸件情况类似,超出了大部分市场上的主轴承机床的装载能力;二是主流供应商只有SKF和FAG两家,至少提前一年锁定产能;三是国内主轴承供应商短期无法具备此类轴承的设计和加工能力。

谢德奎还提到,双TRB技术以及DRTRB技术,都存在对预紧力变化敏感、优质供应商稀缺、装配容差要求高等问题。这两种技术远景都在陆上做过测试验证并且运行过,还需要一定的时间进行海上测试验证。

远景海上大轴承配置解决方案目前采用更为成熟的双SRB技术,主轴承外径在1.5米以内,足够支撑到5、6兆瓦,在拥有全球充沛的供应链的基础上,已经实现了本地供应商的设计和生产。

即便中国海上风机面临叶片和主轴承两大瓶颈,远景能源仍完全能够在中国海域为客户提供可获得投资收益的海上项目解决方案。谢德奎介绍,远景集成全球数据和技术绘制中国海上平准化度电成本(LCOE)地图,这个地图不仅指导远景自己定义具有竞争力的风机,还可以让海上风电开发商清晰地看见实现投资收益的项目分布,还会发现最好的收益率不在单机容量有多大,而在于LCOE。发电量是影响海上风电的最关键因素,在海上全生命周期度电成本模型里,发电量的影响超过50%。

说到项目风机选型,谢德奎强调,不同区域对风机兆瓦等级和风轮直径的组合需求不同,也就是说,围绕LCOE最优,针对中国不同海域定义不同风轮和功率组合获得最优收益。和中国相比,欧洲北海风速高,人力成本导致初始投资高,运维成本高,这些因素导入LCOE模型,也就导向了欧洲大兆瓦小风轮的机型策略。

基于中国海上风电环境特点与欧洲存在巨大差异,远景选择了以福建为代表的高风速台风区域、广西为代表的低风速区域以及浙江为代表的中低风速强台风区域做了LCOE敏感性分析。可以发现,在高风速场景中,6-8MW等级的海上风机可以获得最优的LCOE;在低风速及中低风速场景中,4-6MW等级便可以实现最优的LCOE。而风速越低,则对风轮直径的需求更大,反之亦然。

同时,谢德奎提醒,与欧洲海上风况相比,中国海上风场布置更紧凑,风速更低,且大气更稳定,尾流影响范围大,在这些因素的共同作用下,中国海上风场的尾流损失大大超过欧洲风场。远景基于近1.5GW容量的风机海上运行和持续后评估,证明在某些排布密集的风场,前期对尾流损失低估约2%。远景也在探索降低尾流损失的技术。在某风场,通过实施场群尾流控制技术,实现了3%-4%的电量提升。在未来一段时间内,中国海上风电场排布越来越密集,场群尾流控制技术的价值显得尤为显著。

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来源:远景能源
 关键词:碳纤维 | 风力发电
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