本文從中國(guó)海上風(fēng)電蹣跚學(xué)步到執(zhí)牛耳說(shuō)起，共探可持續(xù)的海上風(fēng)電機(jī)組開發(fā)之路如何打造。

 

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中國(guó)海上風(fēng)電，從蹣跚學(xué)步到執(zhí)牛耳

 

11 年時(shí)間，走過(guò)歐美 30 余年的路

 

全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的《2023 全球海上風(fēng)電報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)在 2022 年實(shí)現(xiàn)了 5.1GW 的海上風(fēng)電新增并網(wǎng)，連續(xù)第五年成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。在前一年（2021 年），中國(guó)累積海上裝機(jī)容量就已經(jīng)超過(guò)英國(guó)，位居世界第一，距離中國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)——東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)建成（2010 年）僅 11 年。

 

中國(guó)海上風(fēng)電起步比歐美國(guó)家晚了 20 多年，但從蹣跚學(xué)步到執(zhí)牛耳，僅用了 11 年。

 

2

 

從中國(guó)速度到中國(guó)質(zhì)量   

 

要快步向前，更要穩(wěn)扎穩(wěn)打

 

中國(guó)海上風(fēng)電不僅需要裝機(jī)速度，更需要高質(zhì)量發(fā)展。堪比摩天大樓的海上巨無(wú)霸、海上風(fēng)電的嚴(yán)苛工況環(huán)境、風(fēng)機(jī)逐步走向環(huán)境更為復(fù)雜多變的深遠(yuǎn)海，一旦發(fā)生批量化質(zhì)量問(wèn)題將帶來(lái)高昂的海上風(fēng)電運(yùn)維成本，代價(jià)極其沉重。

 

中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展一路狂飆的同時(shí)，更要牢記 :" 穩(wěn) " 字當(dāng)頭。

 

電氣風(fēng)電作為中國(guó)海上風(fēng)電的引領(lǐng)者，在業(yè)內(nèi)率先引入全球領(lǐng)先的海上風(fēng)電發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，積累了中國(guó)最大的海上風(fēng)電樣本庫(kù)，在中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展史上篆刻有多個(gè)重要印記。海上機(jī)組從自主研發(fā)的 3.6MW 開始穩(wěn)步迭代，歷經(jīng) 4MW、6MW、7MW 直至 16+MW。這一路，是快步向前，更是穩(wěn)扎穩(wěn)打。

 

 

圖：電氣風(fēng)電海上產(chǎn)品發(fā)展歷程

 

海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)的不確定因素更多，隨著平價(jià)時(shí)代的到來(lái)以及海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海，愈發(fā)地需要海上產(chǎn)品大型化來(lái)降低風(fēng)電場(chǎng)的單位千瓦造價(jià)。

 

3

 

 

風(fēng)機(jī)越造越大，核心部件越來(lái)越大

 

帶來(lái)的新挑戰(zhàn)，如何解決？

 

海上產(chǎn)品大型化后，如何應(yīng)對(duì)葉片大型化和傳動(dòng)鏈大型化后所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，電氣風(fēng)電更加深入地進(jìn)行技術(shù)穿透，并保持技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性，以保證在機(jī)組大型化后可以穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

 

1. 更長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)、選材及認(rèn)證

 

風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，也是影響風(fēng)力發(fā)電技術(shù)前進(jìn)步調(diào)的關(guān)鍵因素。為了滿足海上復(fù)雜的工況環(huán)境以及更大兆瓦數(shù)的需求，葉片也面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，如葉片顫振發(fā)散、整機(jī)頻率耦合、葉片變形大等。

 

當(dāng)前，電氣風(fēng)電 123 米海上葉片，在充分考慮氣動(dòng)外形、材料性能、葉片載荷、制造工藝等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的情況下，同時(shí)又優(yōu)化配置葉片選材，使得葉片安全可靠、輕質(zhì)高效，為海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。

 

在設(shè)計(jì)方面，電氣風(fēng)電研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，充分考慮葉片氣彈穩(wěn)定性，秉承高效、低載、高穩(wěn)定的設(shè)計(jì)理念，保證了葉片更優(yōu)的綜合性能以及更低的 LCOE。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還會(huì)采用工程算法和有限元精細(xì)化校核技術(shù)，采用 24 個(gè)多方向載荷對(duì)葉片的靜強(qiáng)度、疲勞、屈曲等反復(fù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)校核，以確保設(shè)計(jì)的安全可靠。

 

在選材方面，海上風(fēng)電通過(guò)碳纖維拉擠板材的應(yīng)用，充分利用碳纖維的高剛度改善葉片變形大的問(wèn)題，同時(shí)有效減輕葉片質(zhì)量。

 

在設(shè)計(jì)認(rèn)證方面，每一款葉片都會(huì)通過(guò)嚴(yán)格的認(rèn)證，電氣風(fēng)電 123 米葉片已經(jīng)按照最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61400-5，獲取國(guó)內(nèi)外權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心以及 TUV NORD 的設(shè)計(jì)認(rèn)證，通過(guò)不同機(jī)構(gòu)的交叉認(rèn)證來(lái)雙重保證設(shè)計(jì)的合理性。在保證仿真精確方面，通過(guò)按照 IEC61400-23 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行葉片全尺寸測(cè)試，評(píng)估葉片各項(xiàng)理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的吻合度。

 

2. 更長(zhǎng)葉片的測(cè)試

 

為保證葉片產(chǎn)品的安全可靠，電氣風(fēng)電從整體到局部逐步拆分，從材料到碳板，從碳板到整體葉片，從樣片靜載、疲勞、疲勞后靜載到樣機(jī)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)進(jìn)行充分的測(cè)試驗(yàn)證，保證環(huán)環(huán)安全可靠。

 

 

圖：葉片靜載測(cè)試

 

 

圖：葉片扭轉(zhuǎn)測(cè)試

 

 

圖：葉片疲勞測(cè)試

 

3. 更大傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)仿真

 

作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)中存在大量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這也導(dǎo)致傳動(dòng)零部件受外界載荷或者本身零部件變形等因素影響極易出現(xiàn)劇烈的共振現(xiàn)象。

 

隨著機(jī)組大型化，傳動(dòng)鏈各部件間的相互耦合作用將更加復(fù)雜，對(duì)傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)仿真的動(dòng)力學(xué)特性提出了更高的要求。電氣風(fēng)電為了更真實(shí)的模擬傳動(dòng)鏈的動(dòng)態(tài)特性，將傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)仿真模型逐步從多自由度全剛體模型到多自由度剛?cè)狁詈夏Ｐ娃D(zhuǎn)化。同時(shí)，對(duì)于不同機(jī)組按照實(shí)際工況搭建不同的傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)有限元分析方法創(chuàng)建柔性體模型用于傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)分析。

 

在動(dòng)力響應(yīng)分析中，通過(guò)高保真模型模擬實(shí)際風(fēng)輪帶來(lái)的旋轉(zhuǎn)力矩，施加于傳動(dòng)鏈的輸入端，并且對(duì)于傳動(dòng)鏈的輸出端進(jìn)行實(shí)時(shí)的輸出動(dòng)平衡反饋。通過(guò)模態(tài)分析的方法則可以得到傳動(dòng)鏈模型的模態(tài)能量分布情況，自動(dòng)輸出動(dòng)力學(xué)坎貝爾圖，排查傳動(dòng)鏈的潛在共振點(diǎn)。在時(shí)域分析中，進(jìn)行多控制因素耦合分析，如位移、速度、加速度以及齒輪嚙合力等情況，通過(guò)對(duì)加速度的頻譜分析傳動(dòng)鏈潛在的共振點(diǎn)，為機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性提供保障。

 

 

圖：動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

 

 

圖：時(shí)域分析

 

中國(guó)海上風(fēng)電的建設(shè)已經(jīng)按下了加速鍵，對(duì)于項(xiàng)目建設(shè)周期提出了更高的要求，通過(guò)產(chǎn)品研發(fā)的可靠性保障后，如何保障整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的可靠性，又是我們將面臨的另一個(gè)難題，而電氣風(fēng)電的答案是：可持續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)奏 + 全面布局的測(cè)試能力 + 嚴(yán)格的測(cè)試要求，將機(jī)組的問(wèn)題閉環(huán)在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前。

 

 

4

 

以中國(guó)最大的海上風(fēng)電樣本庫(kù)為積淀

 

全生命周期覆蓋的測(cè)試驗(yàn)證

 

全國(guó) 4 大測(cè)試基地布局

 

電氣風(fēng)電引領(lǐng)了中國(guó)海風(fēng)發(fā)展。從 2010 年至今，電氣風(fēng)電在中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展史上完成了一次又一次質(zhì)的突破，基于積淀的中國(guó)最大的海上風(fēng)電樣本庫(kù)，不斷迭代開發(fā)。