高速傳動鏈技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)中的前景探析

文 | 朱泉生

技術(shù)

高速傳動鏈技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)中的前景探析

文 | 朱泉生

全球風(fēng)能理事會秘書長Steve Sawyer認(rèn)為：“風(fēng)電正在引領(lǐng)全球從化石能源轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)型”。在全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，風(fēng)電的整機技術(shù)產(chǎn)品也在不斷發(fā)展變化，逐步形成以高速傳動鏈和低速傳動鏈為代表的兩種典型技術(shù)產(chǎn)品，并伴隨二者而形成了中速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品。在風(fēng)電引領(lǐng)化石能源轉(zhuǎn)型的時代，這三種技術(shù)產(chǎn)品，是哪種在引領(lǐng)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展？哪一種產(chǎn)品代表著行業(yè)未來的方向呢？

風(fēng)電行業(yè)技術(shù)產(chǎn)品及發(fā)展因素

一、三種風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)品

在風(fēng)電行業(yè)，三種風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)品可根據(jù)電機、傳動鏈的類型，是否包含齒輪箱以及實際應(yīng)用來劃分，主要有以雙饋機型為典型代表的高速傳動鏈產(chǎn)品；以半直驅(qū)機型為典型代表的中速傳動鏈產(chǎn)品；以直驅(qū)機型為典型代表的低速傳動鏈產(chǎn)品（其余類型的技術(shù)產(chǎn)品市場占有率比較低，在此忽略）。各個機型的技術(shù)組合如下所示：

高速型：風(fēng)輪+主軸+增速齒輪箱+聯(lián)軸器+雙饋異步發(fā)電機+雙饋變流器。

中速型：風(fēng)輪+主軸+增速齒輪箱+永磁同步發(fā)電機+全功率變流器。

低速型：風(fēng)輪+主軸+永磁/電勵磁同步發(fā)電機+全功率變流器。

直驅(qū)技術(shù)第一次被提出的時間是在1988年的歐洲風(fēng)能會議上，雙饋技術(shù)第一次被提出的時間是在1995年的IET會議上，而半直驅(qū)樣機第一次生產(chǎn)出來的時間是在2009年。目前，雙饋技術(shù)產(chǎn)品在全球風(fēng)電行業(yè)中占有率最高，約為80%；其次是直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)品，接近20%；最后是半直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)品，占有率很低，可忽略不計。

二、決定風(fēng)電技術(shù)發(fā)展方向的關(guān)鍵

風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展服務(wù)于商業(yè)，商業(yè)的本質(zhì)是獲得利潤，取得經(jīng)濟效益。無論風(fēng)電技術(shù)優(yōu)劣如何，只要能夠使風(fēng)電場獲得最大化的利潤，風(fēng)電運營場就有足夠的動力去采用此項技術(shù)。在風(fēng)電行業(yè)中驗證風(fēng)力發(fā)電成本的方法是度電成本（COE），其公式為：度電成本（COE）=（FCR×ICC+AOM）/AEP

其中：

FCR（固定費率）=銀行貸款的利率；

ICC（初始資本成本）=機組購買價格+風(fēng)電場配套設(shè)施=部件成本+組裝成本+運輸成本+風(fēng)電場配套設(shè)施；

AOM（年運行維護成本）=部件故障率×每次的維修成本+每次維修耽誤的發(fā)電成本+風(fēng)電場人力成本；

AEP（年發(fā)電量）是在綜合風(fēng)頻分布、功率、風(fēng)能可利用率的條件下，減去上網(wǎng)損失得到的發(fā)電量。

風(fēng)電運營商無論采用哪一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，都離不開度電成本這一核心參考標(biāo)準(zhǔn)。這三種技術(shù)的應(yīng)用實際上也是在初始的資本成本、年運營成本和年發(fā)電量上進行互相博弈的結(jié)果，無論這三個因素如何博弈，只要風(fēng)電運營商追求利潤的最大化，就必須使得度電成本最小化，而不能單純追求單一發(fā)電量的最大化，或者各種成本的最小化，而是三者博弈后的度電成本最小化。

綜合以上可知，從商業(yè)的本質(zhì)角度來看：利潤決定技術(shù)的應(yīng)用。實際上是度電成本決定了風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向，更嚴(yán)格來說是檢驗?zāi)稠楋L(fēng)電技術(shù)是否具有經(jīng)濟效益及未來可持續(xù)發(fā)展的唯一標(biāo)準(zhǔn)。從當(dāng)前主流的雙饋與直驅(qū)發(fā)展的歷史來看，二者都不是劃時代的革新產(chǎn)品，不存在直驅(qū)技術(shù)是風(fēng)電發(fā)展的顛覆性技術(shù)，在引領(lǐng)風(fēng)電行業(yè)未來發(fā)展的說法（由于中速傳動機組僅僅是二者技術(shù)的結(jié)合體，市場占有率很低，本文以下不再對此技術(shù)專門討論）。

高速和低速傳動鏈產(chǎn)品的技術(shù)分析

產(chǎn)品的技術(shù)分析分為兩個方面：一是目前產(chǎn)品技術(shù)的對比，以確定各種技術(shù)的優(yōu)劣；另一個是未來技術(shù)發(fā)展方向的對比，以確定哪一種技術(shù)具有更高的潛力來支撐行業(yè)的發(fā)展。

一、高速和低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)電量對比分析

風(fēng)電技術(shù)發(fā)電量對比的關(guān)鍵點在于發(fā)電效率的高低。全球根據(jù)風(fēng)力資源的大小，將風(fēng)力分為：常速、低速和海風(fēng)。在低的風(fēng)速下，低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品切入的風(fēng)速可以更低，可以產(chǎn)生較高的發(fā)電量，同樣工況下高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)電效率則相對較低。但在當(dāng)風(fēng)速逐步提高，從低速逐步提高向常速風(fēng)速發(fā)展時，低速傳動鏈技術(shù)的發(fā)電量優(yōu)勢將因變頻器耗損迅速增大而減小，自身的優(yōu)勢逐漸減小。

從各自產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)角度上來看，直驅(qū)低速技術(shù)沒有齒輪箱，提高了機械傳動效率，永磁技術(shù)不需要從電網(wǎng)吸收電量等。不過，由于自身冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性抵消了自身的優(yōu)勢，使得相對于雙饋高速產(chǎn)品而言，已經(jīng)沒有多少優(yōu)勢，在這種角度上雙饋高速產(chǎn)品已經(jīng)不輸于直驅(qū)低速產(chǎn)品了。

二、高速和低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品的功率與效率對比分析

機組的出機效率R是和機組風(fēng)輪掃風(fēng)面積與機組單機功率比成反比關(guān)系。風(fēng)輪直徑或機組葉片的尺寸由于技術(shù)瓶頸、成本及運輸?shù)仍颍L度增加受到了制約，即機組單機容量增加到一定程度之后葉片的長度不再增加。此時，機組的出機效率則受機組單機功率影響較大，對于二者之間的具體關(guān)系，如圖1所示。

從圖1可以看出，在發(fā)電機的效率和功率兩個因素上，兩種技術(shù)的交叉點在額定功率47.6%。在實際的風(fēng)電場應(yīng)用中，我們知道：機組的額定功率利用率是以追求最大化為目的，當(dāng)額定功率利用率越低，能夠發(fā)出的電量越少，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益越少。當(dāng)額定功率利用率高于47.6%時，雙饋高速產(chǎn)品的發(fā)電機效率在94%，而直驅(qū)低速在達到94%后，隨著額定功率利用率的增加，發(fā)電機效率在逐漸降低——發(fā)電量越來越少：這是風(fēng)電場所不愿看到的。在額定功率利用率低于47.6%時，無論從發(fā)電機效率和額定功率的利用率上都沒有達到設(shè)備利用最大化，這也是風(fēng)電運營場所不愿接受的。

因此，綜合以上兩個方面可以看出：在發(fā)電量的角度上，相比高速傳動鏈的雙饋產(chǎn)品，低速傳動鏈的直驅(qū)產(chǎn)品沒有明顯技術(shù)優(yōu)勢；在功率和發(fā)電機效率的利用上，低速傳動鏈的直驅(qū)產(chǎn)品落后于高速傳動鏈的雙饋產(chǎn)品。

高速和低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品的可靠性和成本分析

產(chǎn)品的可靠性是指安裝的便利性，運行環(huán)境的范圍、故障損壞的概率和頻率、產(chǎn)品配套產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度等。這些條件決定了一款產(chǎn)品可靠性的高低，可靠性的高低決定運營成本高低（這里只討論運營成本，且設(shè)定前期風(fēng)場的各種投入成本對于兩種技術(shù)產(chǎn)品是相同的）。相比雙饋高速產(chǎn)品，直驅(qū)低速產(chǎn)品的劣勢如下：

一、直驅(qū)低速產(chǎn)品運輸成本高且機組機頭載荷大，降低了整機可靠性

直驅(qū)機組的發(fā)電機非常龐大，公路運輸時會經(jīng)常遇到拆除收費站閘門和護欄的情況，而雙饋機組機艙較窄，運輸比較便利，對道路的要求也相對較少。

直驅(qū)機組的發(fā)電機非常龐大，且一般位于輪轂和機艙的連接處，其中心位于塔筒中心線的前端，即中心前移，因此增加了其機頭載荷，降低了整機可靠性。

二、直驅(qū)低速產(chǎn)品的發(fā)電機和變流器可靠性比較低

直驅(qū)低速產(chǎn)品發(fā)電機的體積和重量比雙饋高速機組大很多，對其軸承等轉(zhuǎn)動部件要求極高。直驅(qū)低速的變流器容量是雙饋機組的3倍左右，變流系統(tǒng)復(fù)雜，同時需要配備更大散熱能力的冷卻系統(tǒng)。另外，永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下容易發(fā)生失磁的現(xiàn)象，而且材料中含有鐵，在海上強鹽霧的情況下防腐問題比較棘手。

三、直驅(qū)低速產(chǎn)品部件成本及運維成本高

圖1 高速和低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品發(fā)電功率對比

同功率的直驅(qū)低速產(chǎn)品的整機價格平均要比雙饋高速產(chǎn)品高。在后期的維修上，直驅(qū)低速的發(fā)電機是永磁體，機艙內(nèi)存在很強的磁場，在機組上很難進行維修，只能將整個機艙卸下運回車間維修，拆卸和安裝的成本可以與整個風(fēng)電機組的造價相比。而高速傳動鏈的雙饋機型可以單獨對齒輪箱、發(fā)電機等部件單獨維修，其維護難度和維護成本要遠遠低于直驅(qū)機型。

四、直驅(qū)低速產(chǎn)品部件產(chǎn)業(yè)鏈不完善

相對雙饋而言，直驅(qū)的產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，目前全球主要有4家企業(yè)在生產(chǎn)直驅(qū)低速機組，而雙饋高速機組廠家有幾十家之多，產(chǎn)業(yè)鏈的不完善使得產(chǎn)業(yè)鏈的柔性度減少，抵御外界經(jīng)濟環(huán)境的波動性較差。例如直驅(qū)低速機組中的永磁電機需要戰(zhàn)略性的稀土原材料。稀土原材料屬于稀缺資源，是國家級的戰(zhàn)略性資源，一旦國家對該產(chǎn)業(yè)加以限制，或者國際稀土價格大漲，將會影響到直驅(qū)低速機組的價格以及生產(chǎn)。

從以上可以看出，在整機的初始成本上直驅(qū)低速要比雙饋高速高。另外，低速傳動鏈產(chǎn)品的直驅(qū)機組的可靠性較低，對運行的環(huán)境要求較高，故障率高且產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，加大了運營的成本，同時由于其造成的故障率較多，減少了有效的發(fā)電時間，減少了發(fā)電量。所以，在整機的成本和可靠性上，雙饋高速是優(yōu)于直驅(qū)低速的。

目前和未來風(fēng)電市場高速和低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品的占有率分布

在目前全球風(fēng)電市場上，兩種技術(shù)產(chǎn)品的競爭格局已經(jīng)形成，這是過去以及現(xiàn)在，風(fēng)電運營商對兩種技術(shù)產(chǎn)品認(rèn)可選擇的結(jié)果，代表著過去和現(xiàn)在產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律走勢，基于對現(xiàn)在市場格局和研發(fā)趨勢的認(rèn)識，可以發(fā)現(xiàn)目前及未來市場上技術(shù)產(chǎn)品的主流。

一、2015年全球市場下的兩種機型市場占有率分布

筆者調(diào)查了全球前15家機組主機廠商的全部在役機型，截止到2015年底，兩種技術(shù)產(chǎn)品的全球占比為：高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品占據(jù)81%，低速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品占據(jù)19%，如圖2所示。高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品占據(jù)了全球產(chǎn)品的主流。

二、2015年全球新增機型的市場占比分布

筆者調(diào)查了全球在2015年新增的裝機機型上，兩種技術(shù)產(chǎn)品的占比如圖3所示。高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品占據(jù)77%，仍舊占據(jù)了市場的主流。

圖2 截止到2015年底，各類技術(shù)產(chǎn)品累計市場占有率數(shù)據(jù)來源：2015年 MAKE

圖3 2015年各類技術(shù)產(chǎn)品新增裝機比例數(shù)據(jù)來源：2015年 MAKE

表1 三種不同傳動鏈在新研發(fā)機型中的占比

三、未來高速、中速、低速傳動鏈技術(shù)在新研發(fā)機型中的趨勢對比

筆者統(tǒng)計了全球前15家機組主機廠商公布的研發(fā)機型，總結(jié)整理如下表1所示，可以看出：面向未來的新機型研發(fā)中，大都選用高速傳動鏈，占64%；低速傳動鏈只占12%，而中速傳動鏈異軍突起，占24%。

綜合全球已投用機組以及全球新增的機組技術(shù)產(chǎn)品分析可以得出：高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品始終占據(jù)壟斷地位，這說明高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品一直以來都是客戶的首選。同時新增的產(chǎn)品，占據(jù)絕大多數(shù)的是高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品，說明高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品仍舊是未來（至少是3年－5年內(nèi)）市場的主流，是客戶的首選。低速傳動鏈技術(shù)無論在總體市場占有率和新增市場占有率上始終在20%左右徘徊，說明該技術(shù)具有一定的局限性，限制了其自身產(chǎn)品的進一步發(fā)展。在未來新研發(fā)的機型上，高速傳動鏈穩(wěn)居第一，而低速傳動鏈只有高速傳動鏈的五分之一，這也說明高速傳動鏈技術(shù)具有可持續(xù)的技術(shù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

總結(jié)

綜合以上分析可知：從技術(shù)產(chǎn)生的時間來看，高速、低速傳動鏈技術(shù)是同一個時代的技術(shù)；從全球前15家機組整機商研發(fā)新機型的趨勢上來看，高速傳動鏈技術(shù)在三種技術(shù)中占據(jù)主流，低速傳動鏈只有其五分之一；在役的機型上，高速傳動鏈更是占據(jù)主流，低速傳動鏈只有其四分之一，這表明：高速傳動鏈技術(shù)是目前以及未來技術(shù)的發(fā)展趨勢及主流，低速傳動鏈技術(shù)是風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，并不是下一代技術(shù)，更不是顛覆性技術(shù)，不能代表風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的走向。

在全球的市場占有率及新增裝機占比上，高速傳動鏈都擁有絕對的優(yōu)勢，這是因為在發(fā)電功率和效率、風(fēng)電機組技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性、及前期的成本投入和后續(xù)的管理、維護成本、產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度上，高速傳動鏈技術(shù)都擁有較為明顯的優(yōu)勢。因此，在未來，高速傳動鏈技術(shù)產(chǎn)品仍舊是市場的主流，并且代表了未來的發(fā)展方向。

（作者單位：南京高速齒輪制造有限公司）

攝影：車傳江