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是什么造就了最佳风机?

高昂价格抑制需求

2011年,永磁风机制造商经历了恐慌。稀土材料的价格不可控制地呈螺旋式上升,而稀土是制造大功率永磁体必不可少的材料。风力发电机只是这些磁体的主要使用者之一。因此,当时许多整机商决定考虑其它类型的发电机。

直驱式风力发电机受到的冲击最大,因为它们需要的磁体材料量最多。特别是对于小型发电机,许多制造商决定重新使用齿轮高速机,尽管众所周知,它们可靠性较低,难以满足更严格的电网规定。

此后的形势稳定略高于危机前的水平,趋势也似乎并无变化。此外,即使功率超过10兆瓦,永磁直驱电机仍然越来越受欢迎。

评估直驱风机

直驱风机的主要优点是低速、可靠性更高以及无变速箱,去除了可能发生故障的组件。但是,一台10兆瓦的直驱式风力发电机可能重达200吨以上,直径显然超过10米,无论材料成本,还是制造、运输和现场安装都面临挑战。

通常,发电机迎风侧的气隙仅由一端支撑,这对机械设计带来了挑战,尤其是在处理气隙方面。因此必须增加气隙尺寸,这又导致需要更多的磁体材料。

此外,提升机械加工和起重能力也变得更加困难。在没有特殊安排的情况下,道路运输允许的最大组件尺寸不超过4.5至5米。在实际操作中,这意味着发电机必须在海上组装或制造,然后才能运到海上风电场。

若考虑大型兆瓦级现代风力发电机,另一种主要选择是使用所谓的中速解决方案,即发电机通过变速箱连接到风力转子,齿轮传动比为1:30或1:40。这使得更轻的传动系统成为可能。例如,要产生10兆瓦的电力,发电机重量要小于产生相同电力的直驱电机的15%。

自然,还有额外的变速箱重量。但最终,这意味着我们能够以正常规模单独制造、运输和处理组件,而无需任何特殊安排。传动系统的效率略高于直驱电机,在相同的输入扭矩下提供更高的输出。另外,更多的组件增加了故障风险。

散热问题

最佳风力发电机的另一个关键问题是冷却。几年来,我一直在说将双热交换器(HEX)方案改为过滤式直接气流冷却。双HEX系统意味着机器的内部空气循环(IP级,通常为IP54)由气液HEX冷却。二次回路中的液体必须通过风力发电机周围的空气,利用气液HEX再次冷却。

在实践中,这意味着与周围空气相比,将发电机冷却空气温度至少提高15°C。空气温度的升高会使发电机的输出功率受到更大限制,效率也会降低。双重HEX的配置也会导致额外的成本,并可能造成冷却液泄漏。

另一种方法是使用经严格过滤的周围空气直接冷却。现代过滤技术可以高效地(可达到99%以上)除盐、除湿和清除微粒。从发电机的角度来看,这具有双重优势:冷却剂温度更低,冷却量更大。如有任何颗粒进入发电机,冷却空气会将其吹出。这是IP54设备所不具备的优势。

实际案例

即使风电行业兴起的时候不长,在某些情况下却相当保守。但Eleon则不然。Eleon是爱沙尼亚的一家公司,规模不大,抱负却不小。

这家爱沙尼亚的风力发电机制造商成立于2007年,是兆瓦级直驱式风力发电机的先驱。较小的规模使公司能够灵活创新和尝试先进的解决方案,例如上面介绍的直接冷却概念。

首个获得专利的Eleon 3 MW直驱式风力发电机原型于2013年架设。自2013年以来,Eleon 3 MW风力发电机每年发电量达12千兆瓦时,这证明直接冷却概念行之有效。利用双轴承解决方案可以有效减小气隙径向长度,从而提高永磁体的磁化效果,最终提高效率。

结合直接冷却,其将提供重量更轻的解决方案,并确保临界尺寸符合制造和运输要求。

现在,我热切期待着他们的下一代风机,这批风机将于2020年在爱沙尼亚的100兆瓦Aidu风电场安装。

这个案例表明,我们正朝着更优化的设计迈进。

Panu Kurronen, D.Sc, CTO
安川电机环境能源中心/ 斯维奇

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