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風(fēng)電技術(shù)的“突破口”在哪里?

2010-04-22 來源:風(fēng)能@中國 瀏覽數(shù):2082


    下面我們對葉片性能進(jìn)行分析,現(xiàn)有葉片是按空氣動力學(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,空氣動力性能肯定是很弱的,就像飛機(jī)速度低沒有升力一 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,我們通過簡單的量化計(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級臺風(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 風(fēng)狀態(tài)下葉片產(chǎn)生的風(fēng)載將達(dá)千噸以上,這個數(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,不可能對葉片及時完全卸 載,這樣大的風(fēng)載形成的沖擊力是任何機(jī)械裝置都無法承受的,我們設(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)電效率為代價來解決葉片設(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、安全性無法保障的最根本原因。也是造成沿海風(fēng) 電機(jī)被臺風(fēng)損毀的主要原因。葉片強(qiáng)風(fēng)載還會造成風(fēng)電機(jī)強(qiáng)烈振動,這對風(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)整時間,在這么長的調(diào)整過程中,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)重時就會造成風(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)載就會通過傳動軸對變速裝置造成巨大的沖擊,巨大的風(fēng)載也會對偏航裝置造成沖擊,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,控制過程就成了問題發(fā)生過程。
    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級颶風(fēng)的風(fēng)速平均是34m/s,也就是說風(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號臺風(fēng)“杜鵑”,2006年1號臺風(fēng)“珍珠”和8號臺風(fēng)“桑美”分別造成了廣東汕尾紅海灣風(fēng)電場,南澳風(fēng)電場和浙江蒼南鶴 頂山風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p毀,這說明風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)還有很大缺陷。國外有幾十年生產(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)過這樣那樣的問題。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 國風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已近80多家,質(zhì)量問題頻發(fā),國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)故障率更高也就不足為奇。這些都充分說明現(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 的危害性。
    我們利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明改進(jìn)葉片性能的必要性,我們對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,當(dāng)風(fēng)速小于6m/s時,風(fēng)能利用系數(shù)小,空氣動力性能弱,當(dāng)風(fēng)速在8m/s左右時,風(fēng)能利用系數(shù)變大,說明葉片的空氣動力性能已發(fā)揮作用,當(dāng)風(fēng)速大于10m/s以上時,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作,隨著風(fēng)速的增高,變槳距在不斷減小葉片的空氣動力性能。根據(jù)以上分析就可以得出這樣的結(jié)論:在低風(fēng)速時,葉片的空氣動力性能作用不大,在高風(fēng)速時,我們又限制空 氣動力性能的作用,從運(yùn)行數(shù)據(jù)還可以看出,當(dāng)風(fēng)速大于10m/s時變槳距裝置就開始減小葉片的空氣動力性能,一般風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速是13m/s,  也就是說 葉片是通過變槳距裝置限制過載,但是我們知道控制系統(tǒng)始終是滯后的,并不能及時限制過載,這樣就造成在高風(fēng)速狀態(tài)下過載隨時都可能發(fā)生,造成風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定,造成并網(wǎng)穩(wěn)定性差。也就是說我們精心設(shè)計(jì)的具有優(yōu)良空氣動力性能的葉片,實(shí)際上并沒有發(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 這個風(fēng)速是時間最長,最有開發(fā)價值的風(fēng)速,也就是說我們花高額成本設(shè)計(jì)制造的風(fēng)電機(jī)葉片,在大部份時間并沒有發(fā)揮應(yīng)有的效能,而且造成微風(fēng)發(fā)電性能差。

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