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“柔性智能叶片”成为风电技术的发展方向

时间:2015-12-17 09:45
  风能是最具有开发价值的新能源,风能是分布最广,离我们最近,取用最方便的无污染的清洁能源,用好风电对减少碳排放,改善环境意义重大。风能也是储量巨大的新能源,风能取之不尽,用之不竭,并具有相对最低的开发成本,所以风电的发展应该作为新能源发展的重点。

  中国气象局日前公布我国首次风能资源详查和评价取得的进展和阶段性成果:我国陆上离地面50米高度达到3级以上风能资源的潜在开发量约23.8亿千瓦;我国5—25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度可装机容量约2亿千瓦。我国陆上风能资源主要集中在内蒙古的蒙东和蒙西、新疆哈密、甘肃酒泉、河北坝上、吉林西部和江苏近海等7个千万千瓦级风电基地。仅这些地区的陆上50米高度3级以上风能资源的潜在开发量就达18.5亿千瓦。

  面对如此巨大的风能资源,面对我国严峻的节能减排形势,为什么我国80多家风电设备生产企业大部分产能闲置?为什么会出现严重产能过剩?具统计至2009年我国风电装机容量仅2500万千瓦,风电占全国的用电量还非常小,装机容量占可开发量就更少,为什么风电工程会沦落为“形象工程”?风电被称为“垃圾电源”?为什么风电的开发与需求产生如此大的反差?这些矛盾和问题的出现已严重影响到风电产业的发展。

  这些矛盾和问题的出现,追根溯源是风电技术的不适应造成的。我国在“三北”(西北、东北、华北)地区在建的有6个千万千瓦风电基地,现在还处于建设初期有些问题已突出表现出来,首先是装机容量大而发电量低;其次是并网难题无法破解;还有故障率高,维护成本大。这些问题主要是叶片性能造成的,现有叶片是参照直升飞机的叶片进行设计制造,MW级风电机叶片非常巨大,强刚性能要求很高,造价高昂,具有很好的空气动力性能。在“三北”地区虽然多风,但大风毕竟很少,一般就是2~3级风,大一点4~5级风,6级风以上都较少,所以叶片的空气动力性能根本发挥不出来。风速低,空气动力性能弱,必然造成发电量低,这就是造成“装机容量大而发电量低”的主要原因。“三北”地区每年还有几次大的沙尘暴,在这种情况下,冲击电流很大,不可能并网,但刚性叶片风载很大,风电机受力不平衡,附加扭矩很复杂,对风电机产生摆动和振动,往往会造成故障和破坏。所以说叶片的空气动力性能该发挥的时候发挥不出来,不该发挥的时候却越来越强,只会带来破坏。

  并网稳定性差和高故障率是影响风电产业发展的最大障碍,这个问题主要是由于控制系统的滞后性和叶片的强风载造成的。

  现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置,我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的,我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整,但在速度上始终是滞后的,并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生的,偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1°/秒,90°就需要90秒的调整时间,在这么长的调整过程中,风轮叶片所受的风力角是完全不同的,也就是叶片所受的风力是变化的,必然造成风轮转速的不稳定,从而影响到风电机输出功率的稳定,严重时就会造成风电机解网,造成电网的不稳定。这种调节的滞后性在强风暴的气候条件下,往往会造成严重的后果,在高风速情况下叶片处于顺浆位置,若风向发生90°变化,就会使叶片完全处于大面积受风的状态,使叶片受力突然增大,叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击,巨大的风载也会对偏航装置造成冲击,造成变速装置和偏航装置的损坏,叶片也有可能被折损坏。

  下面我们对叶片性能进行分析,现有叶片是按空气动力学原理设计的,如同飞机的机翼,在微风状态下,空气动力性能肯定是很弱的,就像飞机速度低没有升力一样,这样必然造成微风发电性能差。在高风速状态下,叶片的空气动力性能不断增强,叶片性能不但不能起到稳速稳频的作用,反而成了风电机不稳定和强破坏性的发源地,我们通过简单的量化计算就可知道它的危害程度。我们以1.5MW风电机为例进行说明,设计风速为13m/s,产生的能量为1.5MW,可转换为152958kgf·m/s,其能量核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s,而风的能量与风速的关系是三次方的关系,那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上,这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能,但任何控制系统都存在滞后性,不可能对叶片及时完全卸载,这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的,我们设计制造的变速装置很大,强度也非常高,但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。为了避免变速装置的损坏,风电机又向直驱方向发展,直驱方式省掉了变速装置,但造成发电机转子转速降低,我们知道发电机的发电量是由线圈切割磁力线的速度决定的,发电机转子转速的降低也就意味着发电效率的降低,人们又一次以牺牲发电效率为代价来解决叶片设计不合理所造成的后果。这种治标不治本的方式肯定是达不到效果的,这样做只是改变了故障发生的部位,并不能避免强风载带来的破坏。强风载也是造成沿海风电机不稳定、安全性无法保障的最根本原因。也是造成沿海风电机被台风损毁的主要原因。叶片强风载还会造成风电机强烈振动,这对风电机的破坏也是很强的,往往造成疲劳损坏和高故障率。

 国外有几十年生产经验,很有实力的公司,都在风电机产品上出现过这样那样的问题。世界最大的风力发电机组制造商

  Micon就是因为齿轮箱问题,他为所生产的风力发电机组都换了一次齿轮箱,这家世界最大的风力发电机制造商破产了,这在其它产业是不可能发生的。目前我国风电整机制造企业已近80家,质量问题频发,国产风电机故障率更高也就不足为奇。这充分说明现有叶片的高风载特性和控制系统滞后性给风电产业带来的危害性。

  变转速联网技术具有划时代的意义,变转速技术可以让风轮随风速的变化相应改变转速的快慢,彻底改变了叶片所具有的稳定转速的功能,也就改变了叶片只能采用刚性叶片的限制,为改进叶片性能创造了有利条件。我们应当抛弃现有的结构,在叶片设计上充分考虑获得最大风能的要求,使风能利用率得到大幅提高。叶片性能的重大改变,会使我们开发出新型高效的风电机。

  大自然永远是我们最好的老师,人类通过对鸟翅膀的研究造出了飞机,飞上了蓝天。鸟的翅膀是最轻巧的飞行装置,也是利用风能的高效装置,我们要想提高风能利用率,提高风电机的微风发电性能,鸟翅是我们最好的研究对象。鸟翅主要是靠羽毛捕获风能,羽毛结构非常轻盈,但有很好的捕风性能,而且具有灵活调节风载的功能。根据仿生学的原理,通过对羽毛结构特性的研究提取,研究开发出了柔性羽形叶片。

  柔性叶片可以完全克服刚性叶片的缺点,并可以增大受风面积,由于柔性叶片可以根据风速的变化相应改变受风的型面,在增加风能获取量和转化量的同时,改善叶片的受力状态,化解风的破坏力,有利于风电机安全稳定的运转。在低风速情况下,叶片变形小,以最佳迎风角和最大迎风面积获取最大风载;在中风速情况下,随着风速增大,叶片变形会逐步增大,逐步减小迎风角和迎风面积,保持所受风载大小的相对稳定,保证发电功率的平稳输出;在高风速情况下,叶片随风速大幅变形,迎风面积大幅减小,风载减小,所受风阻大幅增加,叶片的转速不会增快,反而会变慢,不会造成风电机过载,也毋需停机,仍然可以保持正常发电。此时叶片所受风载会大幅减小,就像一颗树会随风弯曲,大幅减小树所受到的风载,这样可以完全避免狂风对风电机的破坏。所以柔性叶片这种智能化的调节过程更符合风电机风载特性的要求。而且风载特性是靠叶片自身结构的受力型态实现的,不存在滞后性,也不存在机械和电子故障,更加简单可靠。

  柔性叶片还可以化解阵风的冲击能量,使风电机的转速更平稳。柔性叶片还可以避免叶片紊流和阵风波动对风电机造成的振动,可以降低疲劳损坏,提高风电机寿命。柔性叶片对刚性的要求大幅降低,所用的高强材料也大幅减少,制造难度也大幅降低,可以大幅降低叶片的制造成本。所以柔性叶片对提高发电量,保证风电机的稳定可靠,降低风电机成本都有非常显著的作用,这些优点也将会使柔性叶片成为今后的发展方向。

  采用柔性羽形叶片可以开发出陆地使用的微风高效新型风电机。通过对小型样机的试验,这种风电机一级风就能启动,三、四级风就能很好发电,五级风就可以达到满负荷,六级风以上随着风速的增大,叶片的风载会逐渐减小,发电功率也会逐渐减小,可以完全避免叶片产生高风载,可以保证风电机运行平稳,避免强冲击电流的产生,并附加惯性储能装置,保证风电机具有良好的并网稳定性。基本实现免维护,让人人都敢用,人人都好用,可以大幅提高发电量2~3倍,并且风电机成本大幅降低60%以上。成本的降低,发电量的增大,可以大大缩短投资的回报时间,也可以使风电的价格低于火电和水电的价格,并网将不再是难事,反而会由于风电的价格低,而多利用风电,这将会使风电的收益大幅提高,会更大的激发人们开发风电的积极性,会使我国的风电产业发生飞跃式发展。

 本新型风电机特别适合我国“陆地三峡”大规模并网使用,不但可以保证并网的稳定性和安全性,还可以成倍提高发电量。我国三北地区2~3级风的有风时间在6000小时以上,本风力发电装置优良的微风发电性能,可以保证风电场在微风的情况下也能发出电来,还可以保证风电机在大风的情况下也能平稳发电,这种优良的发电性能可以保证全年大部分时间都能输出风电,年发电量可提高2~3倍,这对风电的利用是非常重要的。我们把风电作为一个新能源,是要求风电在长时间内能稳定有效的输出,这样才能有利于计划安排和使用,才能形成对电力网的有效补充,也才能保证电网的稳定和安全,因此提高风电机的微风发电性能意义重大。

  这种微风高效新型风电机非常有利于风电机的推广普及,风电机优良的发电性能和低成本可以实现在三年内收回投资,将为风电产业开辟巨大的发展空间。首先各工矿企业都有安装大型风电设备的需求,如果能一次投资,享受二、三十年的收益,安装风电机的积极性肯定非常高,对于大型冶炼单位,一般都有自己的发电厂,如果能够大量利用风电,起到节能减排的作用,对提高企业效益有很大的帮助,低成本的风电肯定会得到大量推广使用,全国的工矿企业蕴藏着巨大的风电市场,这个市场的规模将比国家投资在建的“陆地三峡”大数倍。我国各地还有无数的火电厂,在电厂周围都可以布满风电机,可以实现风电与火电的互补,并可以随时根据风电调控火电,这对降低火电厂的碳排放是非常有利的,并且投资较小,控制灵活,取得效益显著,这些火电厂周围衍生出来的风电场规模不会小于“陆地三峡”的规模,进一步扩展了风电的发展空间。我国还有分布在山区的数百个水电站,山顶都有很丰富的风能,由于新型风电机可以实现免维护,并且安装方便,成本和安装费用都较低,不需要太大的投资就可以实现规模化运营。风电最大的不足就是具有间歇性,而水电最大的优点就是调控方便,风电和水电可以说是一种完美结合,并将成为风电的一种发展方向,又为风电发展开辟巨大的发展空间。所以,柔性叶片微风高效新型风电机的开发是促进风电产业大发展,解决风电产能过剩的“突破口”。

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