那么，遠(yuǎn)景自研變頻器的直接結(jié)果是什么呢？
據(jù)遠(yuǎn)景電氣系統(tǒng)采購負(fù)責(zé)人許智強(qiáng)透露，2015 年以后，遠(yuǎn)景陸上全系列機(jī)組已經(jīng)全部配備為遠(yuǎn)景自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變頻器。2018 年以后，遠(yuǎn)景海上全系列機(jī)組也將全部配備遠(yuǎn)景變頻器。許智強(qiáng)進(jìn)一步說，“遠(yuǎn)景通過掌握變頻器產(chǎn)品的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，包括所有的軟硬件設(shè)計(jì)，然后通過發(fā)包給類似富士康這樣的代工企業(yè)生產(chǎn)，使得變頻器的采購成本得到了大幅的降低。”
更重要的在于，自研變頻器對(duì)整機(jī)的開發(fā)和演進(jìn)產(chǎn)生更多可能的自由度。正是由于對(duì)變頻器技術(shù)完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，遠(yuǎn)景的機(jī)組整機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)才可以根據(jù)新的機(jī)組特性，在程序設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)等算法開發(fā)的核心環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)整合，更好更快地推出引領(lǐng)市場的創(chuàng)新機(jī)型。
遠(yuǎn)景智能雙模機(jī)組和中壓機(jī)組都是基于其變頻器技術(shù)的創(chuàng)新。遠(yuǎn)景2012 年7 月推出的雙模機(jī)組不但兼具直驅(qū)全功率和雙饋機(jī)組的優(yōu)勢(shì)，還有最好的風(fēng)能捕獲優(yōu)勢(shì)，在高風(fēng)速工況和低風(fēng)速工況下均有較高的發(fā)電效率。它是一款機(jī)型，也是一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，已在多個(gè)風(fēng)電場批量應(yīng)用。從運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，經(jīng)雙模技術(shù)改造后，機(jī)組的年發(fā)電量比未改造的雙饋機(jī)組最高可提升近2%。
為什么要突破葉片技術(shù)理論
要知道，遠(yuǎn)景設(shè)立在美國科羅拉多的全球葉片創(chuàng)新中心匯聚了全球葉片領(lǐng)域的頂尖人才，當(dāng)空氣動(dòng)力學(xué)的資深科學(xué)家遇上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)學(xué)的頂尖工程師，下一代更輕更具捕風(fēng)效率的葉片就出現(xiàn)在人們的眼前——射陽風(fēng)電場就運(yùn)行了這樣的葉片。
這款葉片采用了全三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，從借鑒V22 魚鷹機(jī)翼設(shè)計(jì)理論到下一代風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)突破，遠(yuǎn)景付出了3 年的艱苦努力。
在遠(yuǎn)景，中國葉片工程集成中心研發(fā)總監(jiān)、前LM 研發(fā)總監(jiān)Peter Grabau 先生曾經(jīng)主導(dǎo)開發(fā)了LM 近 1/3 的專利，美國全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人、前西門子葉片研發(fā)中心首席工程師Kevin Standish 先生在葉片設(shè)計(jì)上的獨(dú)特建樹也為遠(yuǎn)景最新的葉片技術(shù)注入了全球最新的研發(fā)思想。一份內(nèi)部文件顯示，遠(yuǎn)景自研葉片團(tuán)隊(duì)的全球頂級(jí)專家已達(dá)55 人，涉及葉片氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及載荷、材料及工藝、測試與驗(yàn)證等多個(gè)領(lǐng)域。
這是一個(gè)關(guān)乎風(fēng)電整機(jī)開發(fā)的本質(zhì)問題。
風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，本質(zhì)上是一個(gè)基于葉片空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用的流體和結(jié)構(gòu)反復(fù)迭代尋優(yōu)的過程，其中機(jī)組結(jié)構(gòu)載荷、葉片氣動(dòng)性能和核心控制手段是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)尋優(yōu)的三大變量，也就是設(shè)計(jì)工程師所說的LAC 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)尋優(yōu)。
關(guān)鍵在于，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工程師要真正掌控這些變量，而不是面對(duì)僅能輸出或輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的黑匣子。也正因此，遠(yuǎn)景執(zhí)意要打開葉片設(shè)計(jì)的黑匣子，讓葉片氣動(dòng)成為一個(gè)可尋優(yōu)的變量。葉片是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的核心部件，成本約占風(fēng)機(jī)成本的30%，其氣動(dòng)載荷主導(dǎo)了風(fēng)機(jī)另外70% 的主要成本。這意味著，如果葉片通過自身的氣動(dòng)外形卸掉某些風(fēng)況帶來的有害載荷，就會(huì)相應(yīng)降低傳動(dòng)鏈上其他部件的載荷，那么降低整機(jī)用材成本也就水到渠成。
但這取決于遠(yuǎn)景葉片研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)葉片空氣動(dòng)力學(xué)未知的認(rèn)知程度。在遠(yuǎn)景全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人Kevin 先生看來，“這幾乎就是向葉片的基礎(chǔ)理論發(fā)起挑戰(zhàn)！”
專業(yè)人士知道，直到目前，對(duì)葉片的氣動(dòng)性能分析還是基于格朗特在1935 年提出的葉素動(dòng)量理論（BEM），可很多科技文獻(xiàn)和驗(yàn)證結(jié)果已表明，在模擬葉尖速比較低的短葉片時(shí)，格朗特理論模型尚能近似符合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而當(dāng)葉片越來越長時(shí)卻不能真實(shí)地體現(xiàn)風(fēng)輪在流場中的氣流形態(tài)。實(shí)際上，BEM 理論基本方法和模型已經(jīng)表明，在較高葉尖速比條件下，由于風(fēng)輪尾渦螺距變小，葉片的誘導(dǎo)速度分布十分復(fù)雜，而BEM 理論基于獨(dú)立平衡流管假設(shè)的計(jì)算準(zhǔn)確性，會(huì)隨著葉尖速比升高而下降，直到不適用。
遠(yuǎn)景注意到的一個(gè)變化是，隨著低風(fēng)速風(fēng)電場的開發(fā)，風(fēng)輪直徑不斷加大，最優(yōu)葉尖速比已高達(dá)10 甚至12。這表明，建立在較低葉尖速比假設(shè)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)BEM 理論已不能準(zhǔn)確模擬大葉片的實(shí)際氣動(dòng)載荷，也不再適用對(duì)較高葉尖速比的大葉片進(jìn)行氣動(dòng)效率分析。
這樣的發(fā)現(xiàn)令遠(yuǎn)景全球葉片研發(fā)團(tuán)隊(duì)既興奮又焦慮：如果不能還原風(fēng)能在流場中的氣流形態(tài)，葉片未被認(rèn)知的氣動(dòng)效率豈不是永遠(yuǎn)無法被喚醒？更現(xiàn)實(shí)的問題是，由格朗特修正經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來的葉片氣動(dòng)效率Cp 值的利用上限很可能被低估了。那么，葉片實(shí)際可利用效率的極限究竟在哪里？
如此本質(zhì)的問題可從航空航天業(yè)得到深刻的啟迪。
美國V22 魚鷹的旋翼采用全三維旋翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)，這其中就包括了基于自由渦運(yùn)動(dòng)理論的非定常氣動(dòng)載荷求解技術(shù)。與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)旋翼的流場與風(fēng)機(jī)葉輪的流場更接近。與BEM 理論相比，自由渦尾跡方法更接近物理實(shí)際，實(shí)際求解了尾渦的空間位置分布和強(qiáng)度分布，建立了葉片誘導(dǎo)速度徑向分布和尾渦分布的數(shù)學(xué)關(guān)系，具有更高的計(jì)算準(zhǔn)確性，尤其是可以通過模擬葉片的渦流運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)得到葉片非定常氣動(dòng)載荷。遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)隊(duì)的研究顯示，在葉片處于最優(yōu)葉尖速比時(shí)，自由渦方法可以避免傳統(tǒng)的BEM 理論預(yù)測失效問題，獲得更準(zhǔn)確的最優(yōu)功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比。
“遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)隊(duì)將直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)中使用的自由渦尾跡方法應(yīng)用到遠(yuǎn)景自研葉片的設(shè)計(jì)中，當(dāng)然也包括計(jì)算流體力學(xué)CFD 技術(shù)和全三維葉片氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化等技術(shù)。”遠(yuǎn)景美國全球葉片創(chuàng)新中心葉片設(shè)計(jì)專家、前GE葉片高級(jí)工程師Mohamad Sultan 先生表示，有兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)可以說明遠(yuǎn)景葉片效率的突破：一個(gè)維度的數(shù)據(jù)是，葉片最佳捕獲段的氣動(dòng)效率提升5% 以上；另一個(gè)維度的數(shù)據(jù)是，遠(yuǎn)景葉片改變了傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)中對(duì)剛度制約的上限，測試結(jié)果表明葉片整體剛度提升了10%。
出于商業(yè)上的考慮，Mohamad Sultan不愿意過多透露遠(yuǎn)景葉片技術(shù)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，但是實(shí)際葉片在中國風(fēng)電場的運(yùn)行還是引起國內(nèi)葉片制造廠商對(duì)遠(yuǎn)景葉片技術(shù)的探究。
在射陽風(fēng)電場，一位精于葉片制造的專業(yè)人士看出了遠(yuǎn)景121 葉片氣動(dòng)外形的不同。“利用自開發(fā)的先進(jìn)數(shù)字仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了這款葉片的二維及三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，再通過多目標(biāo)尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)了性能、載荷、重量以及噪音的最優(yōu)設(shè)計(jì)。”遠(yuǎn)景葉片測試與驗(yàn)證專家、前美國新能源實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師Michael Desmond 先生在向這位專業(yè)人士提及這款葉片的設(shè)計(jì)時(shí)說，“全球葉片風(fēng)洞測試資源的整合利用，為這款葉片高效率翼型開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持。”
值得一提的是，遠(yuǎn)景葉片翼型是針對(duì)中國風(fēng)電場特點(diǎn)的定制化設(shè)計(jì)，其抗污染、低噪音以及更優(yōu)的氣動(dòng)性能得益于和整機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對(duì)接，不僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的最優(yōu)發(fā)電性能，整機(jī)成本也下降了10%。
為什么用軟件定義自研發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)已是風(fēng)電大部件領(lǐng)域普通且成熟的產(chǎn)品，可遠(yuǎn)景仍未停歇對(duì)它的不斷探索。基于對(duì)發(fā)電機(jī)的使用以及對(duì)失效模式的認(rèn)知和理解，遠(yuǎn)景匯聚了超過20 位全球發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的高端人才，涉及電磁計(jì)算及仿真開發(fā)、機(jī)械有限元分析和驗(yàn)證、CFD 流體仿真等多個(gè)領(lǐng)域。在這個(gè)全球化的自研發(fā)電機(jī)團(tuán)隊(duì)中，Kurt Andersen 先生曾任Vattenfall CTO 和Siemens 風(fēng)電首席產(chǎn)品架構(gòu)師，他對(duì)發(fā)電機(jī)的研發(fā)有獨(dú)到見解。Jarkko Saramo 先生曾任ABB 芬蘭研發(fā)中心全球技術(shù)總監(jiān)，主導(dǎo)了ABB 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在行業(yè)的領(lǐng)先地位。Deng Heng 博士在維斯塔斯、西門子丹麥研發(fā)中心工作超過10 年，作為西門子丹麥研發(fā)中心研發(fā)經(jīng)理以及電力電子與控制專家，他主導(dǎo)了西門子直驅(qū)發(fā)電機(jī)控制算法、風(fēng)機(jī)數(shù)字化仿真平臺(tái)、噪聲與振動(dòng)控制算法以及變頻器與發(fā)電機(jī)調(diào)優(yōu)算法，是構(gòu)建西門子直驅(qū)核心技術(shù)的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。
