半直驅，風電第三勢力興起

作為除雙饋與直驅外的第三大主流技術路線，中速傳動正快速興起，這源于風電行業對更低度電成本的主動探索。

種種跡象表明，中速傳動(也稱“半直驅、混合”)技術的春天來了。

一位部件制造商生產負責人向本刊記者透露，他所在的企業正為20余款中速傳動產品進行部件生產或試制，當然，這其中不乏一家整機商的多款機型。另據了解，國內排名靠前的整機商，大多數在評估是否轉向或添加這一技術路線，實際上已有整機商立起樣機，有的正在開發此類產品。

這種熱火朝天的景象，在一年前還難以想象。曾經被無數業內人士奚落的“半吊子”，如今成了“香饃饃”，風電技術路線除雙饋、直驅外的第三勢力正迅速崛起。

全球數據也呈現出同樣的趨勢。能源調研機構Wood Mackenzie預測，到2029年中速傳動機組在全球陸上風電、海上風電市場的占有率將分別達到45%、34%。稍加時日，中速傳動甚至可能坐上風電技術路線的“第二把交椅”。

市場需求說了算

“從企業經營角度來說，技術是為市場服務的，市場需要什么，技術就怎么跟。在不同市場條件下，技術需要持續跟蹤、動態調整。任何技術路線沒有誰領先誰的問題，只有市場適應性問題。”對于愈演愈烈的中速傳動熱潮，某整機商產品總監李輝認為。

市場與技術確實在不斷演進，受技術進步與成本控制影響，在顛覆性技術出現之前，風電機組大型化趨勢已是不爭的事實。據李輝預測，未來5年海上機組單機容量將以年均1MW的速度遞增，這意味著單機容量將由如今的10MW左右，在5年內發展到15MW以上。陸上機組單機容量相對較小，但在大型化方面也不會放慢腳步，已有不少整機商喊出了“海陸同款”的產品推廣計劃。

在目前技術條件下，隨著機組的體積與重量不斷增加，機組運輸難度將由量變引發質變;出于對成本與可靠性的考慮，一些機型的發電機不斷增大，其發電效率也將受到挑戰;更高的運維難度則要求大型海上機組運行必須足夠可靠，這給采用傳統技術路線的整機商出了難題。

如果說大型化對于整機商技術提升與變革的要求還不是火燒眉毛，那么，成本倒逼可能是催促其立即行動的導火索。

近期我國陸上風電主機的平均價格快速下降，由2020年6月的3450元/千瓦，快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而銅價、螺紋鋼價則分別由同期的4萬元/噸、3600元/噸，分別上升到6.8萬元/噸、6000元/噸。有整機商的主機銷售價格，已經接近甚至低于成本。

對此，李輝認為，中速傳動機組的體積與重量相對較小，成本也具有較強競爭力，可靠性能夠得到有效把控，在目前的市場條件與技術發展趨勢下，不失為一條解決機組大型化技術難題的有效途徑。

據李輝介紹，某3.xMW機型中速傳動機組機艙的重量僅為105噸，其發電機磁鋼用量不足300公斤;某6MW機型的發電機與齒輪箱的徑向尺寸僅為2.2米，整個傳動鏈的最大直徑處位于塔架軸心，也僅為3米。另據一家正在研發中速傳動技術的整機商透露，當單機容量達到15MW時，中速傳動機組與傳統機組的重量或將相差100余噸。主機重量輕、體積小的一個顯而易見好處是，能夠降低整機載荷，使用原材料更少，以實現更低的生產與運輸成本。

“隨著頭部制造商的不懈努力，除主軸承與PLC外，我國已形成完整且開放的中速傳動技術國產零部件供應鏈體系，這也在一定程度上降低了產品成本。”李輝認為。

此外，中速傳動機型的可靠性同樣更易把控，其齒輪箱普遍采用兩級行星輪傳動，主流機型發電機與齒輪箱通過殼體的剛性聯接而無需對中，為機組的可靠運行打下基礎。

自主研發并不晚

中速傳動并不是一項新技術，只是形成大規模應用的時間較短。

“中速傳動是從雙饋與直驅技術派生的，吸收了雙方的特點，機械傳動部分類似雙饋，電氣傳動部分類似直驅。”李輝談到：“因此，它在國外也被稱為混合傳動，在國內為方便理解冠以‘半直驅’多年。”

有信息顯示，最早進行中速傳動技術研究的是德國風電整機設計公司aerodyn。1998年前后，直驅技術已出現約10年，雙饋技術逐漸興起，設計工程師們發現，這兩項技術的差異明顯，且各有所長，便嘗試將雙方中和，做出中間的技術路線，寄望魚與熊掌兼得。通過進行大量技術研究，aerodyn最終形成4套可對比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW樣機，并實現批量化生產。第二套由Winwind開發為3MW和1MW兩款機型，3MW機型實現小批量投運，1MW機型被國內整機商引進。第三套為超緊湊型方案，由我國另一家整機商引進，并通過消化、吸收、再創新等不斷努力，實現了對該中速傳動技術路線的自主研發能力，開發出多款具備里程碑意義的機型，實現批量應用。第四套方案則未能實現成品落地。

更值得關注的是，我國首臺中速傳動樣機并非來自于aerodyn方案，而是由我國頭部整機商純自主研發的產品。

據此前媒體報道，這款單機容量為3MW的中速傳動機型，肇始于2006年的國家科技部立項，在2009年研制成功并實現樣機并網，是全球第三款實現樣機的中速傳動機型。

一位參與相關研發的工程師，在與本刊記者談及該樣機的研發過程時提到，工程師們首先考慮的是中速傳統系的主軸系、齒輪箱、發電機三大組成部分應如何選擇，誰來制造，如何連接為一體等問題。

“在樣機研發過程中，我們解決了一系列挑戰，現在看來仍是這類技術路線產品所普遍采用的方案。比如雙主軸承，一體化軸承座，大約40的傳動比，純自主研發的三大件聯接裝置，以及國產永磁發電機等。”這位工程師說：“這些問題解決了，3MW中速傳動樣機也就成功了。”

談及該樣機的運行情況時，這位工程師表達更多的是認可：“樣機運行比較穩定，測試數據比設計預期要好。”

據了解，目前我國已實現中速傳動機組樣機的整機商與設計公司，包括明陽智能、金風科技、三力新能、哈電風能、華創風能、南京中人等。

有差距但能追趕

即便是中速傳動技術路線陣營本身，根據主軸系、齒輪箱與發電機的集成度與組合關系，也可分為多種形式技術方案。

首先是三者之間均有中間軸相連的中速傳動機組，傳動系統集成度較低，相對而言更接近雙饋機組的布局。這可以算作是第一種形式，但目前采用該形式的機型已屈指可數。

隨著技術發展，齒輪箱與發電機之間的中間軸逐漸被設計工程師去除，但兩者仍相對獨立，由聯軸器連接在一起，實現了傳動系統的中度集成。在此基礎上，日前有國際齒輪箱制造商公開表示，其進一步集成了發電機與齒輪箱，將“發電機的轉子通過空心軸和軸承直接掛在齒輪箱的輸出太陽軸上，定子可以直接安裝在齒輪箱上”。這可以統歸為第二種形式的中速傳動技術。

而將主軸系、齒輪箱、發電機全部集成在一起的超緊湊型機型，則可歸結為第三類中速傳動機型，是目前我國裝機容量最大、實現樣機單機容量最大的中速傳動形式。

在談及中速傳動技術的未來發展時，李輝認為關鍵在于齒輪箱。“在由發電機與齒輪箱所組成的發電單元中，齒輪箱的重量占到三分之二，優化它的意義更大。”

上述國際齒輪箱制造商的理解則更深層次地解釋了李輝的觀點：當機組單機容量與風輪直徑不斷增加時，扭矩增加速度將遠遠大于功率增加速度，這對于成本、重量、扭矩為正相關關系的齒輪箱是一項關鍵挑戰，如果齒輪箱想滿足三項目標，就必須提升自身扭矩密度。例如，如果兩個齒輪箱都是25噸，一個可以傳遞3MW功率，另一個可傳遞4MW功率，那么第二個齒輪箱的扭矩密度更大。

另據李輝介紹，目前提升扭矩密度的主流方式有兩種：一是增加行星輪數量;二是功率分流技術。

“齒輪箱行星輪數量越多，能夠分擔的總功率就越大，在同樣功率下齒輪箱重量就越輕。打個比方，同樣裝一車煤，5個人肯定比4個人裝省力。”李輝進一步解釋道：“常規齒輪箱能做到4個行星輪，而有國際齒輪箱企業宣傳最多能做到8個，這是需要我國廠家進一步提升技術水平的地方。”

功率分流則是以另外一種方式分擔扭矩，簡而言之是將第一級的輸入功率分為兩路輸入，就如同一個重物需要由200千克的大胖子扛，但由兩個80千克的人一起承擔也能夠搬動。這項技術的挑戰在于，對設計要求較高，目前我國還沒有團隊進行這方面的研究工作。

事實上，對于齒輪箱扭矩密度的提升，上述國際齒輪箱制造商已給出了明確的目標，即達到200牛米/千克以上。而據李輝介紹，目前我國傳統齒輪箱扭矩密度仍相差較遠，相關企業正努力通過工藝與技術進步實現提升。這或許就是中速傳動技術進一步實現內生性競爭力提升，所重點角力的地方。

(應采訪對象要求，李輝為化名)