16.6MW! 明陽智能雙機(jī)頭海上風(fēng)機(jī)即將面世

 　  據(jù)外媒消息，明陽智能16.6MW Nezzy²雙機(jī)頭機(jī)組即將完成全尺寸樣機(jī)的詳細(xì)工程工作，該機(jī)組包含兩個(gè)中速8.3MW MySE8.3-180風(fēng)電機(jī)組，葉輪直徑180米，預(yù)計(jì)全尺寸樣機(jī)將在2022年底或2023年初安裝在明陽開發(fā)的位于中國南部沿海的海上風(fēng)電試驗(yàn)場，該海域水深約為40米。具體安裝時(shí)間取決于合適的天氣條件。

明陽智能是 Nezzy² 在中國的技術(shù)合作伙伴和被許可方。

雙機(jī)頭解決方案的競爭優(yōu)勢

德國EnBW公司土建、風(fēng)能和海洋技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)理 Klaus Ulrich Drechsel 表示：“對于未來的應(yīng)用，Nezzy² 雙機(jī)頭解決方案將與傳統(tǒng)的單頭風(fēng)電機(jī)組方案和其他多頭風(fēng)機(jī)系統(tǒng)競爭。與最新一代、單機(jī)規(guī)模更大的單頭風(fēng)電機(jī)組相比，該公司成熟的全尺寸雙頭機(jī)組模型的兩個(gè)單元通常能提供更高的單個(gè)漂浮式基礎(chǔ)可支持的機(jī)組容量。雖然EnBW公司對不同的技術(shù)方案持開放態(tài)度，也在不斷評估這些漂浮式系統(tǒng)——但與此同時(shí)，公司相信 Nezzy² 雙頭機(jī)組的概念依然具有其優(yōu)勢。”

該系統(tǒng)的合作伙伴部署了一種稱為技術(shù)準(zhǔn)備就緒水平 (TRL) 的系統(tǒng)方法來評估構(gòu)成 Nezzy² 的新技術(shù)的成熟度。對于 1:10 比例的演示樣機(jī)而言，該就緒水平達(dá)到了 TRL 5.而正在中國開發(fā)的 1:1 樣機(jī)的技術(shù)成熟度則達(dá)到了 7 級。TRL 7 被定義為“在商業(yè)前規(guī)模的操作環(huán)境中應(yīng)用的示范系統(tǒng)”。在歐洲，EnBW 正在考慮與一家 EPCI 承包商合作，再建造另一個(gè)全面的演示樣機(jī)，希望能達(dá)到最高級別——TRL 9——這代表了完整的商業(yè)應(yīng)用階段。

　　明陽智能張啟應(yīng)表示，就目前的Nezzy²產(chǎn)品開發(fā)而言，包括機(jī)艙和輪轂在內(nèi)的所有主要機(jī)組部件都已完成。此外，公司還加強(qiáng)了變速箱軸承和集成變速箱的轉(zhuǎn)子軸承，以補(bǔ)償塔頂更高的慣性負(fù)載。他透露說，這些額外的負(fù)載相當(dāng)于 0.2-0.3g 的加速度補(bǔ)充，而固定基礎(chǔ)的 MySE8.3-180 應(yīng)用的頂部慣性“僅僅只有”0.1g。由于 Nezzy² 特有的反向葉輪的工作原理，明陽還必須制造兩種不同的葉片組——一組用于順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的葉輪，另一組用于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的葉輪。”。

水滴形塔筒結(jié)構(gòu)

據(jù)張啟應(yīng)介紹，制造符合空氣動(dòng)力學(xué)的水滴形鋼塔筒比預(yù)期的要容易。這種特制的橫截面形狀，類似于1:10示范樣機(jī)的布局，可以增強(qiáng)通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的風(fēng)流。Nezzy² 采用兩座獨(dú)立的塔筒結(jié)構(gòu)，呈 V 字形排列，共用一個(gè)漂浮式基座，底部共同安裝到一個(gè)短一點(diǎn)的管狀鋼塔上，再安裝在混凝土漂浮式基礎(chǔ)上。

部分水滴形塔筒段

該項(xiàng)目另一個(gè)創(chuàng)新的減重功能是連接“開放式”上塔筒和機(jī)艙末端的兩根拉線，拉線有助于對轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪根據(jù)特定旋轉(zhuǎn)模式始終保持張力。拉線還將每個(gè)機(jī)艙連接到逆風(fēng)和相鄰的順風(fēng)漂浮元件上。

對于全尺寸樣機(jī)而言，明陽智能將使用荷蘭 DSM 公司提供的原始高強(qiáng)度 Dyneema 合成線纜轉(zhuǎn)換為可在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的傳統(tǒng)多股鋼索。

“兩個(gè)葉輪反向旋轉(zhuǎn)的一個(gè)整體好處，是每個(gè)葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)期間都可抵消由對方引起的扭矩力矩，這對浮子的穩(wěn)定性和使用壽命將帶來積極的影響。兩個(gè)全尺寸葉輪的葉片尖端之間僅僅只有 3m 的距離，這樣距離下的反向旋轉(zhuǎn)帶來的“耦合渦流”現(xiàn)象，可提高大約 2% 的年發(fā)電量，與葉輪距離較遠(yuǎn)的方案相比，葉尖約 3m 的距離被證明是反向旋轉(zhuǎn)葉輪之間的最佳尖端距離。發(fā)電量的提高已經(jīng)在aerodyn公司對全尺寸 Nezzy² 的初始模擬中得到了體現(xiàn)，現(xiàn)在將得到明陽智能的證實(shí)。”設(shè)計(jì)師Siegfriedsen 和張啟應(yīng)解釋說。

　　他們還解釋了Nezzy² 系統(tǒng)的其他幾個(gè)優(yōu)勢。首先，由于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，順風(fēng)旋翼總是面對迎面而來的風(fēng)，因此不需要單獨(dú)的風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)。其次，全尺寸的 Nezzy² 很大程度上是一個(gè)被動(dòng)系統(tǒng)，其中葉輪平面通過主動(dòng)控制各個(gè)葉輪的速度，通過主動(dòng)偏航支持將自身與占主導(dǎo)地位的風(fēng)向?qū)R。兩人聲稱，由于雙葉輪系統(tǒng)上的力是完全集成的，因此雙葉輪的錯(cuò)位小于單頭陸上風(fēng)電機(jī)組的錯(cuò)位。陸上風(fēng)電機(jī)組通常在更加不穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行，其中風(fēng)向改變更頻繁。

尾流損失減半

另一個(gè)優(yōu)勢是，在風(fēng)電場布置中使用該系統(tǒng)的尾流損失只有約5%，但采用 16.6MW 單機(jī)容量或類似容量的單葉輪風(fēng)電機(jī)組的尾流損失可達(dá) 10%。根據(jù) Siegfriedsen 和張啟應(yīng)的說法，這是由于 Nezzy² 采用直徑180米的葉輪，但單位面積容量與更大尺寸的葉輪(直徑約 254m 的葉輪)相比差不多，都能達(dá)到 326W/m2 的額定值。但采用小一點(diǎn)的葉輪，意味著機(jī)組的重心可以下降約 37m，這反過來又可以使用更小、更便宜的水下浮子來實(shí)現(xiàn)類似的穩(wěn)定性能。

“將尾流損失減少一半，還可以使 Nezzy² 風(fēng)電機(jī)組之間的間距更近——這在類似中國等風(fēng)電可用海域有限的市場尤其有利。”

穩(wěn)定性也是漂浮式風(fēng)電的關(guān)鍵，MySE8.3-180 風(fēng)電機(jī)組的頭部重量相對較低，這使得每個(gè)機(jī)艙和葉輪不到 460 噸，無需額外的偏航系統(tǒng)。

最后一個(gè) Nezzy² 的特性是在“無風(fēng)”的條件下，葉輪向接近風(fēng)的方向傾斜 2.5 度，在正常運(yùn)行情況下則變?yōu)榕c葉輪平面相差 0 度。然而在極端風(fēng)況下又可增加 2.5 度，從而消除對主動(dòng)壓載系統(tǒng)的需要。

與1:10演示樣機(jī)一樣，該機(jī)型的漂浮式基礎(chǔ)由三個(gè)中空的主要元件組成，其中一個(gè)長一點(diǎn)的單腿結(jié)合了帶集成電力輸出的單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)系泊系統(tǒng)，兩個(gè)短腿呈 V字形。組裝后的浮體結(jié)構(gòu)長120m，寬105m。

張啟應(yīng)介紹說，浮體結(jié)構(gòu)中最簡單的部分，例如鋼制連接器等，預(yù)計(jì)將于今年 9 月完工。與當(dāng)?shù)卮皦狠d技術(shù)專業(yè)公司合作開發(fā)的三個(gè)“被動(dòng)壓載”浮力系統(tǒng)也已經(jīng)訂購。他表示，高強(qiáng)度混凝土中空浮子元件的研發(fā)和測試過程需要投入更多的資源和時(shí)間。目前各個(gè)混凝土專家面臨的一系列挑戰(zhàn)包括復(fù)雜的化學(xué)，例如了解變形過程以確保必要的尺寸精度，固化過程中的溫度控制和工藝微調(diào)等。

制作模具

在技術(shù)開發(fā)和制造前試驗(yàn)過程中仔細(xì)考慮后，明陽智能決定采用躺臥式方法制作建設(shè)混凝土浮子元件的大型模具。明陽智能選擇與一家專業(yè)公司合作，該公司主要生產(chǎn)用于建造橋梁的模具。

整個(gè)過程涉及到生產(chǎn)十個(gè)較短的模具，以研究所需的材料強(qiáng)度特性和制造過程。張啟應(yīng)解釋說，制造過程方面還涉及到一些重要方面，例如實(shí)現(xiàn)足夠精確的尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)防止放熱固化循環(huán)期間釋放的熱量導(dǎo)致可能的裂縫產(chǎn)生。經(jīng)過一整年的密集加工，這些模具現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒。公司下一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)是將樣機(jī)準(zhǔn)備好。

而Nezzy² 未來發(fā)展的重點(diǎn)是繼續(xù)降低平準(zhǔn)化度電成本 (LCoE)，這對于 2021 年底國家取消上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼后的中國至關(guān)重要。中國海域雖然臺風(fēng)多發(fā)，但主要是一個(gè)低風(fēng)速市場，平均風(fēng)速僅為 7.5-8.0m/s。Nezzy² 平臺在未來的擴(kuò)展?jié)摿Γ瑢⒅饕Q于風(fēng)浪條件、水深情況，以及是否有合適的港口供設(shè)施的組裝。

進(jìn)一步，幾家合作伙伴計(jì)劃通過微調(diào)浮體的設(shè)計(jì)(因模具制造非常昂貴)以及葉輪尺寸和特定的額定功率等方法看看如何擴(kuò)大規(guī)模。Nezzy² 平臺針對明陽智能的輕質(zhì)風(fēng)力技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，第一個(gè)設(shè)想的步驟將是以 MySE8.3-180 為參考，引入更靈活的額定功率。這意味著中國北方等低風(fēng)速地區(qū)的額定功率將降低，而強(qiáng)風(fēng)地區(qū)市場的額定功率將提高 10-15%，這可通過同時(shí)使用設(shè)計(jì)時(shí)容量的儲備和提高額定風(fēng)速來實(shí)現(xiàn)。

另一種選擇：雙葉片

明陽智能以前曾經(jīng)安裝了一臺基于 aerodyn 超緊湊驅(qū)動(dòng) (SCD) 設(shè)計(jì)的雙葉片海上風(fēng)電基地，因此在該雙頭漂浮式海上風(fēng)電方案上仍然保留了選擇雙葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可能性。

張啟應(yīng)介紹說，明陽智能公司也正在重新研究雙葉片葉輪結(jié)構(gòu)，希望能與公司過去幾年中取得的控制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。與三葉片模型相比，雙葉片結(jié)構(gòu)可能有助于顯著降低 LCoE。但這還需要正確的論據(jù)來說服金融機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@類風(fēng)電項(xiàng)目的可融資性是最大的挑戰(zhàn)之一。