中国风电 穿越技术无人区！

  以深远海大功率风电机组整机支撑结构一体化设计技术为例，通过对风、浪、海床等外部条件以及主机、塔筒、基础等结构的一体化建模，并在高速迭代能力支持下，可实现叶片、机舱结构件、塔筒与基础等的轻量化设计。“在此过程中，全耦合的一体化建模，以及一体化全耦合模型的求解解耦是具有相当难度的，我们一定要迎难而上。”杨微谈道。

  越来越大的风电机组不仅考验整机研发人员的能力，也同样考验着我国风电工程技术水平。值得庆幸的是，“基建狂魔”深谙此道。

  据了解，中国海装首台H260-18MW机组计划安装的浙江苍南项目，离岸50km以上，水深30m左右，是全球最极端的台风频发海域。且该项目海底有比较深的淤泥，施工挑战大，具有典型的深远海风电场开发特征。

  “受制于海上机组吊装对吊高和桩腿长度的技术方面的要求，目前国内满足18MW机型安装要求的安装平台有1艘，但2023年将有3艘新一代自升式风电安装平台服役，未来5年预计将有10~20艘具备该级别海上机组吊装能力的风电安装平台。”杨微称。

  在一定程度上，采用中速永磁技术路线，避开了一些其他技术路线机型实现进一步大型化的难点，尤其是给一些关键零部件的大型化创造了有利条件，也更易发挥出我国在风电关键零部件方面的产业优势。

  “双馈发电机的大型化难点在于转速高引起的转子线圈及转子组件的结构可靠性，对转子的动平衡精度及滑环可靠性要求很高;直驱发电机转速低、体积大、重量重，大功率化后装配、浸漆、吊运等都难以实现，对设备及工装的要求极高，而且受永磁材料成本影响，单机成本也非常高。”杨微谈道:“超大型中速永磁发电机，巧妙地避开了双馈与直驱的设计难点和制造痛点。”

  中国海装提供的多个方面数据显示，该公司为匹配H260-18MW机型下线MW中速永磁发电机外径3.4m，重量仅为33t，两项数据都比1.5MW的直驱发电机小。

  然而，这并不意味着企业在研发中速永磁发电机过程中，没有提升技术水平。事实上，为了使中速永磁发电机更紧凑，研发人员正在不断的提高其功率与转矩密度。以H260-18MW机型为例，其功率密度高达350W/kg，转矩密度不低于12kNm/t。

  齿轮箱也是同样的道理。据介绍，高速传动链齿轮箱扭矩密度目前能达到140Nm/kg，如果不通过技术创新提升其扭矩密度，18MW级风电机组仅齿轮箱重量将达到约160t。

  “在由发电机与齿轮箱所组成的发电单元中，齿轮箱的重量占到三分之二，优化它的意义更大。”在进一步谈及中速传动机组的大型化发展时，张辉认为多行星级、多行星轮及传动链高度集成化，是提升传动系统扭矩密度的关键:“齿轮箱行星轮数量越多，能够分担的总功率就越大，在同样功率下齿轮箱重量就越轻。”

  据杨微介绍，中国海装H260-18MW机型正是通过采用多行星级、多行星轮技术，将齿轮箱扭矩密度提升到210Nm/kg，这可视为全球先进水平。

  相比发电机与齿轮箱而言，叶片更有几率会成为机组大型化的卡点。为突破叶片长度极限，中国叶片厂商不断革新生产的基本工艺，尝试高性能材料，优化气动设计。仍以中国海装H260-18MW机型为例:在设计上，尝试了适用于复杂环境的高雷诺数风电机组叶片翼型气动设计、超长柔性叶片气动―结构―载荷一体化设计等技术;在材料上，其选用了高模玻纤、碳纤维、聚氨酯等;在生产的基本工艺上，采用国产大丝束碳纤维拉挤板整体成型、自动化铺层与叶根及尾缘梁预制成型、超长叶片壳体一体灌注成型、多腹板组装及合模智能装配、相控阵不伤害原有设备的检测等先进的技术，确保叶片从设计、材料、生产、检测到运行全生命周期的可靠性与稳定性。

  不久前，中国海装对外宣布，将继续研制300m以上风轮直径、25MW以上输出功率的机型。风电机组到底能做到多大，在某些特定的程度上取决于各关键零部件，而在目前技术条件下，后者的大型化技术边际不尽相同。

  “单机容量持续增大后，发电机定转子体积重量增大，集成式结构发电机重量由齿轮箱承重，功率增大带来轴向和径向方向变长变大，转子挠度不足影响气隙，进而影响发电机效率和发电性能。”杨微推测:“结合目前新技术新材料的研发进度、行业供应链成熟度、设备加工制造能力等因素，初步预估现有的常规水平轴风电机组瓶颈在30MW级左右。”

  相比发电机来说，叶片的提升更难。这是因为叶片长度的增长不仅取决于技术，同样还要求生产厂房不断改建，投入更多配套生产工装，也受制于运输和吊装难度。杨微认为，叶片长度的发展会更快达到瓶颈期，预计将有一段时间停滞在130m级，直至在材料或工艺上取得新的突破。

  当中国风电技术进入国际先进行列，就从另一方面代表着在未来发展进步过程中，要慢慢的变多地依赖自身能力的提升。

  另一个显著的例子，是我国对海上漂浮式风电技术的探索，正小步快跑地进行。在这样的领域，可借鉴的国际经验也并不丰富。与固定式风电不一样，漂浮式风电机组必须搭载更先进的控制技术，掌握浮体运动控制策略，使机组能适应风、浪、流等复杂运行环境。

  为了抓住这把解锁深远海风电规模化开发的“钥匙”，中国已经有3家整机商与开发企业、工程技术单位展开深度合作，下线款漂浮式风电机型。其中，有2款机型已经在广东海域安装与并网，1款机型计划2023年在设计水深200m、离岸距离10km的挪威海域投运。

  最新的海上风电机型被国外市场认可，率先在海外投运，这是前所未有的。中国风能人付诸多年心血推动的“两海”战略正在形成合围之势，或许将创造风电历史的另一个里程碑。(文中受访人张辉为化名)

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