風(fēng)電技術(shù)的“突破口”在哪里？

    下面我們對(duì)葉片性能進(jìn)行分析，現(xiàn)有葉片是按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，如同飛機(jī)的機(jī)翼，在微風(fēng)狀態(tài)下，空氣動(dòng)力性能肯定是很弱的，就像飛機(jī)速度低沒(méi)有升力一 樣，這樣必然造成微風(fēng)發(fā)電性能差。在高風(fēng)速狀態(tài)下，葉片的空氣動(dòng)力性能不斷增強(qiáng)，葉片性能不但不能起到穩(wěn)速穩(wěn)頻的作用，反而成了風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定和強(qiáng)破壞性的 發(fā)源地，我們通過(guò)簡(jiǎn)單的量化計(jì)算就可知道它的危害程度。我們以1.5MW風(fēng)電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)計(jì)風(fēng)速為13m/s，產(chǎn)生的能量為1.5MW，可轉(zhuǎn)換為 152958kgf·m/s，其能量核算在葉片上的風(fēng)載可達(dá)百噸。若12級(jí)臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)速為34m/s，而風(fēng)的能量與風(fēng)速的關(guān)系是三次方的關(guān)系，那么在臺(tái) 風(fēng)狀態(tài)下葉片產(chǎn)生的風(fēng)載將達(dá)千噸以上，這個(gè)數(shù)值是相當(dāng)驚人的。我們知道風(fēng)電機(jī)的控制系統(tǒng)有卸載功能，但任何控制系統(tǒng)都存在滯后性，不可能對(duì)葉片及時(shí)完全卸 載，這樣大的風(fēng)載形成的沖擊力是任何機(jī)械裝置都無(wú)法承受的，我們?cè)O(shè)計(jì)制造的變速裝置很大，強(qiáng)度也非常高，但仍不能避免這種沖擊力對(duì)變速裝置的損壞。為了避 免變速裝置的損壞，風(fēng)電機(jī)又向直驅(qū)方向發(fā)展，直驅(qū)方式省掉了變速裝置，但造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，我們知道發(fā)電機(jī)的發(fā)電量是由線圈切割磁力線的速度決定 的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低也就意味著發(fā)電效率的降低，人們又一次以犧牲發(fā)電效率為代價(jià)來(lái)解決葉片設(shè)計(jì)不合理所造成的后果。這種治標(biāo)不治本的方式肯定是達(dá)不 到效果的，這樣做只是改變了故障發(fā)生的部位，并不能避免強(qiáng)風(fēng)載帶來(lái)的破壞。強(qiáng)風(fēng)載也是造成沿海風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定、安全性無(wú)法保障的最根本原因。也是造成沿海風(fēng) 電機(jī)被臺(tái)風(fēng)損毀的主要原因。葉片強(qiáng)風(fēng)載還會(huì)造成風(fēng)電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)，這對(duì)風(fēng)電機(jī)的破壞也是很強(qiáng)的，往往造成疲勞損壞和高故障率。
    控制系統(tǒng)的滯后性也是造成不穩(wěn)定和破壞性的主要因素，現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)的控制裝置主要有偏航裝置和變漿矩裝置，我們知道自然界的風(fēng)向和風(fēng)速都是隨時(shí)隨機(jī)變化的， 我們的調(diào)節(jié)裝置雖然可以根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速調(diào)整，但在速度上始終是滯后的，并不能完全滿足風(fēng)電機(jī)平穩(wěn)發(fā)電的需要。比如在自然界中風(fēng)向呈90°變化是經(jīng)常發(fā)生 的，偏航裝置和變漿矩裝置的響應(yīng)速度若是1°/秒，90°就需要90秒的調(diào)整時(shí)間，在這么長(zhǎng)的調(diào)整過(guò)程中，風(fēng)輪葉片所受的風(fēng)力角是完全不同的，也就是葉片 所受的風(fēng)力是變化的，必然造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，從而影響到風(fēng)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成風(fēng)電機(jī)解網(wǎng)，造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。這種調(diào)節(jié)的滯后性在強(qiáng)風(fēng) 暴的氣候條件下，往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，在高風(fēng)速情況下葉片處于順漿位置，若風(fēng)向發(fā)生90°變化，就會(huì)使葉片完全處于大面積受風(fēng)的狀態(tài)，使葉片受力突然增 大，葉片受到的強(qiáng)大風(fēng)載就會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸對(duì)變速裝置造成巨大的沖擊，巨大的風(fēng)載也會(huì)對(duì)偏航裝置造成沖擊，造成變速裝置和偏航裝置的損壞，葉片也有可能被折損 壞。所以控制系統(tǒng)的滯后性將影響控制效果，風(fēng)電機(jī)龐大，控制過(guò)程就成了問(wèn)題發(fā)生過(guò)程。
    從理論上講進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)速達(dá)50-60m/s，12級(jí)颶風(fēng)的風(fēng)速平均是34m/s，也就是說(shuō)風(fēng)電機(jī)組可以在任何狂風(fēng)暴雨中運(yùn)行，強(qiáng)度還有富余。但 事實(shí)卻是殘酷的，2003年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”，2006年1號(hào)臺(tái)風(fēng)“珍珠”和8號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”分別造成了廣東汕尾紅海灣風(fēng)電場(chǎng)，南澳風(fēng)電場(chǎng)和浙江蒼南鶴 頂山風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p毀，這說(shuō)明風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)還有很大缺陷。國(guó)外有幾十年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，很有實(shí)力的公司，都在風(fēng)電機(jī)產(chǎn)品上出現(xiàn)過(guò)這樣那樣的問(wèn)題。世界最大 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商N(yùn)EG Micon就是因?yàn)辇X輪箱問(wèn)題，他為所生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都換了一次齒輪箱，這家世界最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商破產(chǎn)了，這在其它產(chǎn)業(yè)是不可能發(fā)生的。目前我 國(guó)風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已近80多家，質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)故障率更高也就不足為奇。這些都充分說(shuō)明現(xiàn)有葉片的高風(fēng)載特性和控制系統(tǒng)滯后性給風(fēng)電產(chǎn)業(yè)帶來(lái) 的危害性。
    我們利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明改進(jìn)葉片性能的必要性，我們對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)風(fēng)速小于6m/s時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)小，空氣動(dòng)力性能弱，當(dāng)風(fēng)速在8m/s左右時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)變大，說(shuō)明葉片的空氣動(dòng)力性能已發(fā)揮作用，當(dāng)風(fēng)速大于10m/s以上時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)不斷減小，也就是葉片的變槳距裝置開始動(dòng)作，隨著風(fēng)速的增高，變槳距在不斷減小葉片的空氣動(dòng)力性能。根據(jù)以上分析就可以得出這樣的結(jié)論：在低風(fēng)速時(shí)，葉片的空氣動(dòng)力性能作用不大，在高風(fēng)速時(shí)，我們又限制空 氣動(dòng)力性能的作用，從運(yùn)行數(shù)據(jù)還可以看出，當(dāng)風(fēng)速大于10m/s時(shí)變槳距裝置就開始減小葉片的空氣動(dòng)力性能，一般風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速是13m/s，  也就是說(shuō) 葉片是通過(guò)變槳距裝置限制過(guò)載，但是我們知道控制系統(tǒng)始終是滯后的，并不能及時(shí)限制過(guò)載，這樣就造成在高風(fēng)速狀態(tài)下過(guò)載隨時(shí)都可能發(fā)生，造成風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定，造成并網(wǎng)穩(wěn)定性差。也就是說(shuō)我們精心設(shè)計(jì)的具有優(yōu)良空氣動(dòng)力性能的葉片，實(shí)際上并沒(méi)有發(fā)揮太大的作用，而且葉片的高風(fēng)載特性和控制系統(tǒng)滯后性造成風(fēng)電 機(jī)不穩(wěn)定，因此，現(xiàn)有葉片的性能是弊大于利。從運(yùn)行數(shù)據(jù)還可以看出，在陸地風(fēng)速較低（3-8m/s）的情況下，風(fēng)能利用系數(shù)小，風(fēng)電機(jī)的發(fā)電效率很低，而 這個(gè)風(fēng)速是時(shí)間最長(zhǎng)，最有開發(fā)價(jià)值的風(fēng)速，也就是說(shuō)我們花高額成本設(shè)計(jì)制造的風(fēng)電機(jī)葉片，在大部份時(shí)間并沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的效能，而且造成微風(fēng)發(fā)電性能差。