“市場需求推動了技術(shù)發(fā)展，在數(shù)字化時代，我們更加需要進(jìn)行直接面向市場的技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新，從被動的市場驅(qū)動產(chǎn)品、產(chǎn)品驅(qū)動技術(shù)到主動通過技術(shù)直接驅(qū)動產(chǎn)品及業(yè)務(wù)。”在談到技術(shù)創(chuàng)新時，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)首席數(shù)字官、技術(shù)總經(jīng)理康鵬舉這樣說道。
在電價“指揮棒”的左右下，緊跟陸上風(fēng)電平價的步伐，2021年海上風(fēng)電進(jìn)入“搶裝”狀態(tài)的沖刺階段。海上風(fēng)電的“搶裝”與陸上相比有過之而無不及，對產(chǎn)業(yè)鏈的擾動效應(yīng)愈加明顯。根據(jù)Wood Mackenzie的最新分析報告，隨著陸上搶裝的結(jié)束，陸上機(jī)組的技術(shù)創(chuàng)新需求暫時告一段落，而海上風(fēng)電的技術(shù)創(chuàng)新及開發(fā)成為整機(jī)商和上游供應(yīng)商競相追逐的熱點及焦點。Wood Mackenzie預(yù)測，這些技術(shù)的創(chuàng)新，在未來十年，將促使目前海上風(fēng)電的LCOE成本降幅達(dá)到40%左右。
△ 電氣風(fēng)電8MW海上風(fēng)機(jī)（左）
隨著機(jī)組的大型化，深遠(yuǎn)海開發(fā)的諸多挑戰(zhàn)，物流運(yùn)輸及現(xiàn)場的安裝難度也進(jìn)一步加大，這要求整機(jī)商更加充分地借助平臺開發(fā)策略，研發(fā)分段葉片、分段式塔筒、混塔現(xiàn)場澆筑、機(jī)艙和輪轂的模塊化等。從海上風(fēng)電全生命周期看，平價的主要驅(qū)動力就是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、風(fēng)機(jī)效率的提升。因此，需要通過對風(fēng)電機(jī)組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組與海上風(fēng)電工程設(shè)計的整體優(yōu)化，避免各部件單獨設(shè)計導(dǎo)致過剩及浪費(fèi)，有效降低海上風(fēng)電度電成本。
機(jī)組關(guān)鍵部件及技術(shù)的創(chuàng)新與穿透
在這里，分別就幾個大部件及重點技術(shù)，逐一進(jìn)行討論，包括葉片、傳動鏈、塔架以及漂浮式技術(shù)等。
葉片
近年來，碳纖維及其復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的使用越發(fā)廣泛，風(fēng)電機(jī)組的大型化和海上化極大地拉動了對碳纖維葉片的需求。傳統(tǒng)玻纖葉片已無法滿足風(fēng)電葉片大型化、輕量化的發(fā)展趨勢。隨著80—90m的葉片逐步成為市場主流，100-110m的葉片開始進(jìn)入市場，超長葉片對材料的強(qiáng)度和剛度提出更加嚴(yán)苛的要求。因此，整機(jī)廠需要在具有高性能的新材料、碳纖維、樹脂以及葉片的核心材料的開發(fā)以及應(yīng)用方面加大創(chuàng)新步伐，進(jìn)行成熟的國產(chǎn)化應(yīng)用，開發(fā)出綜合空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及葉片重量上更具有競爭力的產(chǎn)品。
△ 電氣風(fēng)電自主研發(fā)的S90葉片是世界最長玻纖葉片
傳動鏈
輕量化、大型化對于驅(qū)動鏈的創(chuàng)新需求則更加強(qiáng)烈，更緊湊的半直驅(qū)技術(shù)可以大大減少部件數(shù)量、實現(xiàn)發(fā)電機(jī)免維護(hù)等。大兆瓦的直驅(qū)技術(shù)機(jī)構(gòu)簡單，整體發(fā)電效率高，電網(wǎng)友好性能優(yōu)異。通過機(jī)械與電驅(qū)的深度耦合，創(chuàng)新出可靠性高并具有成本優(yōu)勢的新型驅(qū)動鏈。而從部件角度來看，比如齒輪箱，我們需要通過材料創(chuàng)新來提高齒輪箱的功率密度，通過控制策略及相關(guān)技術(shù)的革新來降低噪音和振動，確保機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，延長機(jī)組壽命。同時，還要加大數(shù)字化技術(shù)在扭矩測量中的應(yīng)用，提高機(jī)組的故障檢測與預(yù)測能力。而電控系統(tǒng)，則需要進(jìn)一步提高機(jī)組的故障穿越能力，一次調(diào)頻，以及解決次同步振蕩等關(guān)鍵問題。
塔架
隨著陸上風(fēng)場機(jī)組容量、塔架高度不斷增加，底段塔架用鋼量的占比非常大，底段甚至占整體用鋼量的30%。通過對海上導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)出新型支撐結(jié)構(gòu)，該項技術(shù)具備基礎(chǔ)施工速度快、塔架用鋼量少、吊裝方便等優(yōu)點，可以更好地滿足陸上平價市場對于支撐結(jié)構(gòu)的需求。說到創(chuàng)新，這里順便提一下，瑞典設(shè)計公司Modovion正在嘗試開發(fā)出一種適合分段塔架所使用的木材，這是塔架結(jié)構(gòu)材料方面的創(chuàng)新技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)材料包括了膠合木材和單板層積木材。未來，將會有更多新型的塔架相關(guān)技術(shù)涌現(xiàn)，不但能夠更好地利用風(fēng)能資源，還能降低風(fēng)塔高度增加隨帶來的擴(kuò)展成本。
漂浮式技術(shù)
中國海域的最大特點是大陸架坡度緩，所以即便離岸100公里，水深也僅僅30—50米。如何走出一條滿足中國特色的海上風(fēng)電之路，適應(yīng)國內(nèi)的環(huán)境及市場，風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)的最優(yōu)匹配以及強(qiáng)耦合，是漂浮式風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)工程問題，也是技術(shù)型式競爭的關(guān)鍵。漂浮式風(fēng)電能夠釋放更大的海上風(fēng)能資源技術(shù)潛力（海上風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)潛力的72%在深海），獲得更好的風(fēng)況，從而獲得更高的容量系數(shù)。但目前漂浮式海上風(fēng)電面臨著幾個大難題，包括：居高不下的前期成本、更長的項目周期、漂浮式機(jī)組所需的基礎(chǔ)設(shè)施，以及更全面的測試和樣機(jī)演示時間（包括應(yīng)對變槳、抵抗惡劣天氣條件以及處理海纜的復(fù)雜性等）。此外，漂浮式海上風(fēng)電解決方案的設(shè)計也仍處于早期階段，有待進(jìn)一步的深入研究。
擁抱能源互聯(lián)網(wǎng) 加大風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新步伐
然而，技術(shù)的創(chuàng)新不能僅僅停留在部件設(shè)計創(chuàng)新上，還要上升到子系統(tǒng)、系統(tǒng)的系統(tǒng)，以及從大系統(tǒng)的層面進(jìn)行創(chuàng)新。這意味著需要擁抱能源互聯(lián)網(wǎng)、利用能源互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，以及相關(guān)數(shù)字化技術(shù)，如虛擬電廠技術(shù)、能源路由器技術(shù)，以及此前提到的數(shù)字孿生技術(shù)等，實現(xiàn)風(fēng)光水火儲一體化、源網(wǎng)荷儲一體化等。
【虛擬電廠技術(shù)】
主要是指改善風(fēng)、光等發(fā)電系統(tǒng)間歇式性能，減少新能源不確定性對接入電網(wǎng)的不利影響，提高能量轉(zhuǎn)換價值，增加電網(wǎng)對可再生能源吸納程度，并且可以對電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳疲峁╇娋W(wǎng)的消峰填谷能力。
【能源路由平臺】
能源路由平臺是實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲一體化的關(guān)鍵技術(shù)，讓能源能夠像信息一樣交互、智能分配、即插即用，實現(xiàn)點對點的能源交易。
展望未來：風(fēng)電技術(shù)及機(jī)組
風(fēng)電是多學(xué)科的融合技術(shù)，“十四五”大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，對風(fēng)電機(jī)組的智能化、數(shù)字化要求會越來越高，我們都必須從風(fēng)/機(jī)/場/網(wǎng)/環(huán)/數(shù)/新等方面深挖，全面提升風(fēng)電全生命周期綜合技術(shù)能力。
從風(fēng)電歷史發(fā)展過程來看，塔筒更高、葉輪更長、容量更大，容量每十年就要至少翻倍。到目前為止，風(fēng)機(jī)已成為人類創(chuàng)造出的最大的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，今天的一臺風(fēng)機(jī)的葉輪直徑就如同是一個足球場的大小。
如果遵循“風(fēng)電的摩爾定律”，可以看出機(jī)組的大型化是未來發(fā)展的趨勢，同時陸上與海上風(fēng)電的全球度電成本也將逐步降低，這勢必需要技術(shù)做出顛覆性的突破。傳統(tǒng)的葉片、塔筒等關(guān)鍵部件的技術(shù)已經(jīng)無法滿足15MW以上機(jī)組的需求，大型化機(jī)組的創(chuàng)新技術(shù)必須應(yīng)運(yùn)而生，來滿足機(jī)組的發(fā)展。
近年來，電氣風(fēng)電在新技術(shù)、新領(lǐng)域、新的合作模式等方面持續(xù)進(jìn)行探索和創(chuàng)新，深化數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷加速技術(shù)創(chuàng)新，利用數(shù)字孿生技術(shù)，將操作和物理輸入與高級仿真相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計并降低機(jī)組成本。同時，積極開發(fā)機(jī)組數(shù)字化產(chǎn)品，通過對機(jī)組海量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析及預(yù)測，實現(xiàn)對風(fēng)場和機(jī)組智能化運(yùn)營，充分發(fā)揮上下產(chǎn)業(yè)鏈條的協(xié)同價值，最終實現(xiàn)客戶利益的最大化。
△ 電氣風(fēng)電首席數(shù)字官、技術(shù)總經(jīng)理 康鵬舉
