作為除雙饋與直驅(qū)外的第三大主流技術(shù)路線，中速傳動正快速興起，這源于風電行業(yè)對更低度電成本的主動探索。
種種跡象表明，中速傳動（也稱“半直驅(qū)、混合”）技術(shù)的春天來了。
一位部件制造商生產(chǎn)負責人向本刊記者透露，他所在的企業(yè)正為20余款中速傳動產(chǎn)品進行部件生產(chǎn)或試制，當然，這其中不乏一家整機商的多款機型。另據(jù)了解，國內(nèi)排名靠前的整機商，大多數(shù)在評估是否轉(zhuǎn)向或添加這一技術(shù)路線，實際上已有整機商立起樣機，有的正在開發(fā)此類產(chǎn)品。
這種熱火朝天的景象，在一年前還難以想象。曾經(jīng)被無數(shù)業(yè)內(nèi)人士奚落的“半吊子”，如今成了“香饃饃”，風電技術(shù)路線除雙饋、直驅(qū)外的第三勢力正迅速崛起。
全球數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出同樣的趨勢。能源調(diào)研機構(gòu)Wood Mackenzie預(yù)測，到2029年中速傳動機組在全球陸上風電、海上風電市場的占有率將分別達到45%、34%。稍加時日，中速傳動甚至可能坐上風電技術(shù)路線的“第二把交椅”。
市場需求說了算
“從企業(yè)經(jīng)營角度來說，技術(shù)是為市場服務(wù)的，市場需要什么，技術(shù)就怎么跟。在不同市場條件下，技術(shù)需要持續(xù)跟蹤、動態(tài)調(diào)整。任何技術(shù)路線沒有誰領(lǐng)先誰的問題，只有市場適應(yīng)性問題?！睂τ谟萦业闹兴賯鲃訜岢?，某整機商產(chǎn)品總監(jiān)李輝認為。
市場與技術(shù)確實在不斷演進，受技術(shù)進步與成本控制影響，在顛覆性技術(shù)出現(xiàn)之前，風電機組大型化趨勢已是不爭的事實。據(jù)李輝預(yù)測，未來5年海上機組單機容量將以年均1MW的速度遞增，這意味著單機容量將由如今的10MW左右，在5年內(nèi)發(fā)展到15MW以上。陸上機組單機容量相對較小，但在大型化方面也不會放慢腳步，已有不少整機商喊出了“海陸同款”的產(chǎn)品推廣計劃。
在目前技術(shù)條件下，隨著機組的體積與重量不斷增加，機組運輸難度將由量變引發(fā)質(zhì)變；出于對成本與可靠性的考慮，一些機型的發(fā)電機不斷增大，其發(fā)電效率也將受到挑戰(zhàn)；更高的運維難度則要求大型海上機組運行必須足夠可靠，這給采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的整機商出了難題。
如果說大型化對于整機商技術(shù)提升與變革的要求還不是火燒眉毛，那么，成本倒逼可能是催促其立即行動的導(dǎo)火索。
近期我國陸上風電主機的平均價格快速下降，由2020年6月的3450元/千瓦，快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而銅價、螺紋鋼價則分別由同期的4萬元/噸、3600元/噸，分別上升到6.8萬元/噸、6000元/噸。有整機商的主機銷售價格，已經(jīng)接近甚至低于成本。
對此，李輝認為，中速傳動機組的體積與重量相對較小，成本也具有較強競爭力，可靠性能夠得到有效把控，在目前的市場條件與技術(shù)發(fā)展趨勢下，不失為一條解決機組大型化技術(shù)難題的有效途徑。
據(jù)李輝介紹，某3.xMW機型中速傳動機組機艙的重量僅為105噸，其發(fā)電機磁鋼用量不足300公斤；某6MW機型的發(fā)電機與齒輪箱的徑向尺寸僅為2.2米，整個傳動鏈的最大直徑處位于塔架軸心，也僅為3米。另據(jù)一家正在研發(fā)中速傳動技術(shù)的整機商透露，當單機容量達到15MW時，中速傳動機組與傳統(tǒng)機組的重量或?qū)⑾嗖?00余噸。主機重量輕、體積小的一個顯而易見好處是，能夠降低整機載荷，使用原材料更少，以實現(xiàn)更低的生產(chǎn)與運輸成本。
“隨著頭部制造商的不懈努力，除主軸承與PLC外，我國已形成完整且開放的中速傳動技術(shù)國產(chǎn)零部件供應(yīng)鏈體系，這也在一定程度上降低了產(chǎn)品成本。”李輝認為。
此外，中速傳動機型的可靠性同樣更易把控，其齒輪箱普遍采用兩級行星輪傳動，主流機型發(fā)電機與齒輪箱通過殼體的剛性聯(lián)接而無需對中，為機組的可靠運行打下基礎(chǔ)。
自主研發(fā)并不晚
中速傳動并不是一項新技術(shù)，只是形成大規(guī)模應(yīng)用的時間較短。
“中速傳動是從雙饋與直驅(qū)技術(shù)派生的，吸收了雙方的特點，機械傳動部分類似雙饋，電氣傳動部分類似直驅(qū)?！崩钶x談到：“因此，它在國外也被稱為混合傳動，在國內(nèi)為方便理解冠以‘半直驅(qū)’多年?！?/p>
有信息顯示，最早進行中速傳動技術(shù)研究的是德國風電整機設(shè)計公司aerodyn。1998年前后，直驅(qū)技術(shù)已出現(xiàn)約10年，雙饋技術(shù)逐漸興起，設(shè)計工程師們發(fā)現(xiàn)，這兩項技術(shù)的差異明顯，且各有所長，便嘗試將雙方中和，做出中間的技術(shù)路線，寄望魚與熊掌兼得。通過進行大量技術(shù)研究，aerodyn最終形成4套可對比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW樣機，并實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。第二套由Winwind開發(fā)為3MW和1MW兩款機型，3MW機型實現(xiàn)小批量投運，1MW機型被國內(nèi)整機商引進。第三套為超緊湊型方案，由我國另一家整機商引進，并通過消化、吸收、再創(chuàng)新等不斷努力，實現(xiàn)了對該中速傳動技術(shù)路線的自主研發(fā)能力，開發(fā)出多款具備里程碑意義的機型，實現(xiàn)批量應(yīng)用。第四套方案則未能實現(xiàn)成品落地。
更值得關(guān)注的是，我國首臺中速傳動樣機并非來自于aerodyn方案，而是由我國頭部整機商純自主研發(fā)的產(chǎn)品。
據(jù)此前媒體報道，這款單機容量為3MW的中速傳動機型，肇始于2006年的國家科技部立項，在2009年研制成功并實現(xiàn)樣機并網(wǎng)，是全球第三款實現(xiàn)樣機的中速傳動機型。
一位參與相關(guān)研發(fā)的工程師，在與本刊記者談及該樣機的研發(fā)過程時提到，工程師們首先考慮的是中速傳統(tǒng)系的主軸系、齒輪箱、發(fā)電機三大組成部分應(yīng)如何選擇，誰來制造，如何連接為一體等問題。
“在樣機研發(fā)過程中，我們解決了一系列挑戰(zhàn)，現(xiàn)在看來仍是這類技術(shù)路線產(chǎn)品所普遍采用的方案。比如雙主軸承，一體化軸承座，大約40的傳動比，純自主研發(fā)的三大件聯(lián)接裝置，以及國產(chǎn)永磁發(fā)電機等?！边@位工程師說：“這些問題解決了，3MW中速傳動樣機也就成功了?！?/p>
談及該樣機的運行情況時，這位工程師表達更多的是認可：“樣機運行比較穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)比設(shè)計預(yù)期要好?！?/p>
據(jù)了解，目前我國已實現(xiàn)中速傳動機組樣機的整機商與設(shè)計公司，包括明陽智能、金風科技、三力新能、哈電風能、華創(chuàng)風能、南京中人等。
有差距但能追趕
即便是中速傳動技術(shù)路線陣營本身，根據(jù)主軸系、齒輪箱與發(fā)電機的集成度與組合關(guān)系，也可分為多種形式技術(shù)方案。
首先是三者之間均有中間軸相連的中速傳動機組，傳動系統(tǒng)集成度較低，相對而言更接近雙饋機組的布局。這可以算作是第一種形式，但目前采用該形式的機型已屈指可數(shù)。
隨著技術(shù)發(fā)展，齒輪箱與發(fā)電機之間的中間軸逐漸被設(shè)計工程師去除，但兩者仍相對獨立，由聯(lián)軸器連接在一起，實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)的中度集成。在此基礎(chǔ)上，日前有國際齒輪箱制造商公開表示，其進一步集成了發(fā)電機與齒輪箱，將“發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過空心軸和軸承直接掛在齒輪箱的輸出太陽軸上，定子可以直接安裝在齒輪箱上”。這可以統(tǒng)歸為第二種形式的中速傳動技術(shù)。
而將主軸系、齒輪箱、發(fā)電機全部集成在一起的超緊湊型機型，則可歸結(jié)為第三類中速傳動機型，是目前我國裝機容量最大、實現(xiàn)樣機單機容量最大的中速傳動形式。
在談及中速傳動技術(shù)的未來發(fā)展時，李輝認為關(guān)鍵在于齒輪箱?！霸谟砂l(fā)電機與齒輪箱所組成的發(fā)電單元中，齒輪箱的重量占到三分之二，優(yōu)化它的意義更大。”
上述國際齒輪箱制造商的理解則更深層次地解釋了李輝的觀點：當機組單機容量與風輪直徑不斷增加時，扭矩增加速度將遠遠大于功率增加速度，這對于成本、重量、扭矩為正相關(guān)關(guān)系的齒輪箱是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如果齒輪箱想滿足三項目標，就必須提升自身扭矩密度。例如，如果兩個齒輪箱都是25噸，一個可以傳遞3MW功率，另一個可傳遞4MW功率，那么第二個齒輪箱的扭矩密度更大。
另據(jù)李輝介紹，目前提升扭矩密度的主流方式有兩種：一是增加行星輪數(shù)量；二是功率分流技術(shù)。
“齒輪箱行星輪數(shù)量越多，能夠分擔的總功率就越大，在同樣功率下齒輪箱重量就越輕。打個比方，同樣裝一車煤，5個人肯定比4個人裝省力?！崩钶x進一步解釋道：“常規(guī)齒輪箱能做到4個行星輪，而有國際齒輪箱企業(yè)宣傳最多能做到8個，這是需要我國廠家進一步提升技術(shù)水平的地方?！?/p>
功率分流則是以另外一種方式分擔扭矩，簡而言之是將第一級的輸入功率分為兩路輸入，就如同一個重物需要由200千克的大胖子扛，但由兩個80千克的人一起承擔也能夠搬動。這項技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，對設(shè)計要求較高，目前我國還沒有團隊進行這方面的研究工作。
事實上，對于齒輪箱扭矩密度的提升，上述國際齒輪箱制造商已給出了明確的目標，即達到200牛米/千克以上。而據(jù)李輝介紹，目前我國傳統(tǒng)齒輪箱扭矩密度仍相差較遠，相關(guān)企業(yè)正努力通過工藝與技術(shù)進步實現(xiàn)提升。這或許就是中速傳動技術(shù)進一步實現(xiàn)內(nèi)生性競爭力提升，所重點角力的地方。
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