На недавней Китайской конференции по технологиям ветроэнергетики на шельфе с программной речью выступил генеральный директор линейки продукции для шельфовой ветроэнергетики. Он подчеркнул, что нынешние узкие места в производстве морских ветротурбин в Китае лежат в лопастях и основных подшипниках. Учитывая высокий спрос на морские ветротурбины, производителям крайне важно сосредоточиться на предоставлении решений, обеспечивающих окупаемость инвестиций на основе существующих цепочек поставок, тем самым поддерживая устойчивое развитие ветроэнергетики на шельфе в Китае.

Путь разработки лопастей ветряных турбин

В статье рассмотрена эволюция лопастей ветротурбин в Европе и Китае. В период с 1991 по 2015 год Китай отставал по мощности турбин и размеру лопастей. Однако к 2017 году Китай разработал ветротурбину диаметром 171 метр, превзойдя европейскую ветротурбину диаметром 164 метра. К 2019 году как Европа, так и США представили еще более крупные турбины диаметром 220 метров. Такое равенство размеров турбин свидетельствует о том, что Китай и Европа сейчас находятся на сопоставимом уровне в развитии морских ветротурбин.

Вызовы и инновации в ветроэнергетике

Согласно одному известному научному журналу, по мере увеличения размеров морских ветротурбин сектор ветроэнергетики сталкивается со значительными проблемами в области аэродинамики, структурной динамики и гидродинамики. Исследования в этих фундаментальных научных областях не успевают за ростом диаметров турбин. В отличие от авиационной промышленности, где размах крыльев самолетов не превышал 80 метров даже за столетие, ветроэнергетическая отрасль менее чем за четыре десятилетия достигла диаметра турбин в 200 метров.

Была подчеркнута важность постепенного прогресса в инженерных и технологических достижениях. Увеличение длины лопастей требует прорывов в материалах и технологиях производства. Опираться исключительно на существующие технологии для увеличения размера лопастей недостаточно для дальнейшего развития морской ветроэнергетики.

Необходимость в материалах из углеродного волокна для облицовки.

Для поддержки более длинных лопастей морских ветротурбин отрасли необходимо освоить неизведанную территорию материалов из углеродного волокна. Этот переход повторяет ситуацию десятилетней давности, когда Китаю приходилось лицензировать конструкции лопастей у европейских компаний, а основные материалы и оборудование закупались у немецких или японских компаний. Крупные инвестиции в пресс-формы, длительные сроки и незрелые технологические процессы еще больше усложняют разработку, делая эффективность обработки лопастей больших размеров значительно ниже, чем у лопастей массового производства, в 3-4 раза. Это представляет собой серьезное препятствие для обеспечения жизнеспособности проектов в условиях нынешних крупномасштабных установок морских ветроэлектростанций в Китае. Углеродное волокно имеет важное значение для следующего поколения ветротурбин, удовлетворяя как потребность в прочности, так и в легкости.

Проблемы в цепочке поставок основных подшипников

Еще одним узким местом является главный подшипник, обусловленный конструктивными особенностями, проблемами в цепочке поставок и сложностями монтажа. В частности, цепочка поставок главных подшипников для крупных морских турбин сталкивается с тремя ключевыми проблемами:

1. Диаметр главного подшипникового кольца часто превышает 2 метра, что выходит за рамки возможностей большинства имеющихся станков.

2. Существует всего два основных поставщика, для которых требуется предварительное бронирование мест как минимум за год вперед.

3. В настоящее время отечественные поставщики не обладают возможностями проектирования и обработки подшипников таких больших размеров.

   
   

Решения и инновации в подшипниковых технологиях

Внедрение технологии двойных SRB для основных подшипниковых конфигураций обеспечивает поддержку турбин мощностью 5-6 МВт с диаметром в пределах 1,5 метра. Это решение, подкрепленное надежной глобальной цепочкой поставок, позволяет привлекать местных поставщиков к проектированию и производству. В отличие от этого, технологии, требующие больших диаметров, такие как двойные TRB и DRTRB, сталкиваются со значительными проблемами в плане мощности и эффективности.

Оптимизация производительности морских ветротурбин

Несмотря на трудности, компания по-прежнему уверена в предоставлении решений для морской ветроэнергетики, обеспечивающих положительную окупаемость инвестиций. Была создана подробная карта приведенной стоимости энергии (LCOE) для морских ветропарков Китая, которая служит ориентиром при определении характеристик турбин и помогает разработчикам выявлять прибыльные проекты. Основное внимание уделяется не мощности турбин, а LCOE, при этом наиболее важным фактором является выработка электроэнергии.

Региональная адаптация и анализ чувствительности LCOE

Для оптимизации стоимости электроэнергии (LCOE) в разных регионах требуются различные комбинации мощности турбины и диаметра ротора. Компания провела анализ чувствительности LCOE для регионов с сильным ветром, таких как Фуцзянь, регионов с слабым ветром, таких как Гуанси, и регионов со средним и слабым ветром, таких как Чжэцзян. Результаты показывают, что турбины мощностью 6-8 МВт являются оптимальными для сценариев с сильным ветром, в то время как турбины мощностью 4-6 МВт лучше всего подходят для сценариев со слабым и средним и слабым ветром. Более низкие скорости ветра требуют большего диаметра ротора, и наоборот. Использование углеродного волокна в этих турбинах имеет решающее значение для достижения желаемой производительности и эффективности.

Решение проблемы потерь энергии из-за кильватерного следа на морских ветроэлектростанциях

Китайские морские ветроэлектростанции сталкиваются с большими потерями энергии из-за турбулентного следа, чем европейские аналоги, из-за более плотной компоновки, более низких скоростей ветра и более стабильной атмосферы. Оценка мощности морских ветротурбин общей мощностью почти 1,5 ГВт показала, что первоначальные оценки потерь энергии из-за турбулентного следа были примерно на 2% занижены. Усилия по снижению потерь энергии из-за турбулентного следа с помощью технологии группового управления турбулентным следом привели к увеличению выработки электроэнергии на 3-4%. По мере увеличения плотности компоновки морских ветроэлектростанций ценность технологии группового управления турбулентным следом возрастает. Внедрение углеродного волокна в конструкцию лопастей не только повышает производительность, но и снижает влияние потерь энергии из-за турбулентного следа.