16.6MW双机头漂浮式海上风电平台即将在中国面世，具多个优势特性
据WindPowerMonthly报道，带有两个直径 180 米的顺风叶轮的全尺寸 16.6MW Nezzy² 样机的建造工作正在紧张进行中，未来几个月将在中国南部海域安装。
图为 2020 年在德国测试的 1:10 比例演示样机（图片来源：Jan Oelker/aerodyn-engineering）
在德国北部对 1:10 比例的演示样机进行测试和验证仅两年多后，aerodyn 工程公司总裁及 Nezzy² 的创造者 Sönke Siegfriedsen 及其中国合作伙伴明阳智能公司宣布全尺寸的样机也即将完成建造。
明阳智能是 Nezzy² 在中国的技术合作伙伴。明阳智能总裁兼首席技术官张启应表示，公司即将完成该全尺寸样机的详细工程工作。包括两个中速 8.3MW 三叶片 MySE8.3-180 风电机组，叶轮直径 180 米，目前将在顺风模式下运行。他解释说。“全尺寸样机将在 2022 年底或 2023 年初安装在明阳开发的位于中国南部沿海的海上风电试验场，该海域水深约为 40 米。具体安装时间取决于合适的天气条件。”
Nezzy² 还获得了另一家合作伙伴——德国公用事业公司 EnBW 的资助，该公司帮助其于2年前在不来梅港附近的砾石坑中安装了一个缩小的1:10比例的测试样机。EnBW 已获得在美国和欧洲的独家使用权，也拥有在中国台湾开发该型号漂浮式风机的权限。EnBW公司土建、风能和海洋技术团队经理 Klaus Ulrich Drechsel 表示，该公司正在寻找潜在的工程、采购、施工和安装 (EPCI) 承包商，以便在上述市场搭建本地团队建造漂浮式基础结构。他认为Nezzy² 不仅对开发商和运营商而言令人感兴趣，对供应商市场也同样有吸引力。他表示，该漂浮式系统只需稍作修改，即可部署在不同的国家。比如，混凝土构件的模板还可以在后续项目中重复使用。而漂浮式海上风电正在为任何具有合适深水区和良好风资源潜力的沿海国家开辟新的发展机会。EnBW推动Nezzy² 双头机漂浮式技术在欧洲的发展，其在法国的子公司Valeco也已入围法国漂浮式海上风电的招标。
双机头解决方案的竞争优势
Drechsel 表示：“对于未来的应用，Nezzy² 双机头解决方案将与传统的单头风电机组方案和其他多头风机系统竞争。与最新一代、单机规模更大的单头风电机组相比，该公司成熟的全尺寸双头机组模型的两个单元通常能提供更高的单个漂浮式基础可支持的机组容量。虽然EnBW公司对不同的技术方案持开放态度，也在不断评估这些漂浮式系统——但与此同时，公司相信 Nezzy² 双头机组的概念依然具有其优势。”
该系统的合作伙伴部署了一种称为技术准备就绪水平 (TRL) 的系统方法来评估构成 Nezzy² 的新技术的成熟度。对于 1:10 比例的演示样机而言，该就绪水平达到了 TRL 5，而正在中国开发的 1:1 样机的技术成熟度则达到了 7 级。TRL 7 被定义为“在商业前规模的操作环境中应用的示范系统”。在欧洲，EnBW 正在考虑与一家 EPCI 承包商合作，再建造另一个全面的演示样机，希望能达到最高级别——TRL 9——这代表了完整的商业应用阶段。
明阳智能张启应表示，就目前的Nezzy²产品开发而言，包括机舱和轮毂在内的所有主要机组部件都已完成。此外，公司还加强了变速箱轴承和集成变速箱的转子轴承，以补偿塔顶更高的惯性负载。他透露说，这些额外的负载相当于 0.2-0.3g 的加速度补充，而固定基础的 MySE8.3-180 应用的顶部惯性“仅仅只有”0.1g。由于 Nezzy² 特有的反向叶轮的工作原理，明阳还必须制造两种不同的叶片组——一组用于顺时针方向旋转的叶轮，另一组用于逆时针旋转的叶轮。”
水滴形塔筒结构
据张启应介绍，制造符合空气动力学的水滴形钢塔筒比预期的要容易。这种特制的横截面形状，类似于1:10示范样机的布局，可以增强通过整个结构的风流。Nezzy² 采用两座独立的塔筒结构，呈 V 字形排列，共用一个漂浮式基座，底部共同安装到一个短一点的管状钢塔上，再安装在混凝土漂浮式基础上。
部分水滴形塔筒段（图片来源：明阳智慧能源）
该项目另一个创新的减重功能是连接“开放式”上塔筒和机舱末端的两根拉线，拉线有助于对转动的叶轮根据特定旋转模式始终保持张力。拉线还将每个机舱连接到逆风和相邻的顺风漂浮元件上。
对于全尺寸样机而言，明阳智能将使用荷兰 DSM 公司提供的原始高强度 Dyneema 合成线缆转换为可在当地生产的传统多股钢索。
“两个叶轮反向旋转的一个整体好处，是每个叶轮在运转期间都可抵消由对方引起的扭矩力矩，这对浮子的稳定性和使用寿命将带来积极的影响。两个全尺寸叶轮的叶片尖端之间仅仅只有 3m 的距离，这样距离下的反向旋转带来的“耦合涡流”现象，可提高大约 2% 的年发电量，与叶轮距离较远的方案相比，叶尖约 3m 的距离被证明是反向旋转叶轮之间的最佳尖端距离。发电量的提高已经在aerodyn公司对全尺寸 Nezzy² 的初始模拟中得到了体现，现在将得到明阳智能的证实。”设计师Siegfriedsen 和张启应解释说。
他们还解释了Nezzy² 系统的其他几个优势。首先，由于单点系泊系统，顺风旋翼总是面对迎面而来的风，因此不需要单独的风机偏航系统。其次，全尺寸的 Nezzy² 很大程度上是一个被动系统，其中叶轮平面通过主动控制各个叶轮的速度，通过主动偏航支持将自身与占主导地位的风向对齐。两人声称，由于双叶轮系统上的力是完全集成的，因此双叶轮的错位小于单头陆上风电机组的错位。陆上风电机组通常在更加不稳定的环境中运行，其中风向改变更频繁。
尾流损失减半
另一个优势是，在风电场布置中使用该系统的尾流损失只有约5%，但采用 16.6MW 单机容量或类似容量的单叶轮风电机组的尾流损失可达 10%。根据 Siegfriedsen 和张启应的说法，这是由于 Nezzy² 采用直径180米的叶轮，但单位面积容量与更大尺寸的叶轮（直径约 254m 的叶轮）相比差不多，都能达到 326W/m2 的额定值。但采用小一点的叶轮，意味着机组的重心可以下降约 37m，这反过来又可以使用更小、更便宜的水下浮子来实现类似的稳定性能。
“将尾流损失减少一半，还可以使 Nezzy² 风电机组之间的间距更近——这在类似中国等风电可用海域有限的市场尤其有利。”
稳定性也是漂浮式风电的关键，MySE8.3-180 风电机组的头部重量相对较低，这使得每个机舱和叶轮不到 460 吨，无需额外的偏航系统。
最后一个 Nezzy² 的特性是在“无风”的条件下，叶轮向接近风的方向倾斜 2.5 度，在正常运行情况下则变为与叶轮平面相差 0 度。然而在极端风况下又可增加 2.5 度，从而消除对主动压载系统的需要。
与1:10演示样机一样，该机型的漂浮式基础由三个中空的主要元件组成，其中一个长一点的单腿结合了带集成电力输出的单点旋转系泊系统，两个短腿呈 V字形。组装后的浮体结构长120m，宽105m。
张启应介绍说，浮体结构中最简单的部分，例如钢制连接器等，预计将于今年 9 月完工。与当地船舶压载技术专业公司合作开发的三个“被动压载”浮力系统也已经订购。他表示，高强度混凝土中空浮子元件的研发和测试过程需要投入更多的资源和时间。目前各个混凝土专家面临的一系列挑战包括复杂的化学，例如了解变形过程以确保必要的尺寸精度，固化过程中的温度控制和工艺微调等。
明阳智能已经生产出了一些关键部件，例如钢制基础连接器
制作模具
在技术开发和制造前试验过程中仔细考虑后，明阳智能决定采用躺卧式方法制作建设混凝土浮子元件的大型模具。明阳智能选择与一家专业公司合作，该公司主要生产用于建造桥梁的模具。
整个过程涉及到生产十个较短的模具，以研究所需的材料强度特性和制造过程。张启应解释说，制造过程方面还涉及到一些重要方面，例如实现足够精确的尺寸设计，同时防止放热固化循环期间释放的热量导致可能的裂缝产生。经过一整年的密集加工，这些模具现已准备就绪。公司下一个优先事项是将样机准备好。
而Nezzy² 未来发展的重点是继续降低平准化度电成本 (LCoE)，这对于 2021 年底国家取消上网电价补贴后的中国至关重要。中国海域虽然台风多发，但主要是一个低风速市场，平均风速仅为 7.5-8.0m/s。Nezzy² 平台在未来的扩展潜力，将主要取决于风浪条件、水深情况，以及是否有合适的港口供设施的组装。
进一步，几家合作伙伴计划通过微调浮体的设计（因模具制造非常昂贵）以及叶轮尺寸和特定的额定功率等方法看看如何扩大规模。Nezzy² 平台针对明阳智能的轻质风力技术进行了优化，第一个设想的步骤将是以 MySE8.3-180 为参考，引入更灵活的额定功率。这意味着中国北方等低风速地区的额定功率将降低，而强风地区市场的额定功率将提高 10-15%，这可通过同时使用设计时容量的储备和提高额定风速来实现。
这个塔筒底部段的钢筋模架反应出全尺寸结构的硕大尺寸（图片来源：明阳智能）
另一种选择：双叶片
明阳智能以前曾经安装了一台基于 aerodyn 超紧凑驱动 (SCD) 设计的双叶片海上风电基地，因此在该双头漂浮式海上风电方案上仍然保留了选择双叶片设计结构的可能性。
张启应介绍说，明阳智能公司也正在重新研究双叶片叶轮结构，希望能与公司过去几年中取得的控制技术进行结合。与三叶片模型相比，双叶片结构可能有助于显著降低 LCoE。但这还需要正确的论据来说服金融机构，因为这类风电项目的可融资性是最大的挑战之一。CWEA
来源：windpowermonthly
https://www.windpowermonthly.com/article/1797699/exclusive-radical-166mw-nezzy%C2%B2-twin-floating-offshore-wind-platform-takes-shape-china
编译：风能专委会CWEA公众号
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