中國海上風能開發(fā)的幾點思考

中國海上風能開發(fā)的幾點思考

0中國沿海地區(qū)風電現狀中國已經開始發(fā)展海上能源。東南沿海省份，如浙江、福建、廣東、海南等，已開始規(guī)劃。特別是去年日本島的核氣速帶倒塌后，所有省份都加快了海上能源的規(guī)劃和開發(fā)。但中國要發(fā)展海上風電,臺風是一個無法回避的問題。在中國綿延近兩萬公里的海岸線上,每年都有強度不同的臺風來襲。下圖是根據中國1949年~2006年《熱帶氣旋年鑒》統計的登陸中國沿海各省熱帶氣旋個數因為臺風問題,目前為止,東南沿海省份裝機容量都不多,而大部分裝機仍然在中國的北方。風電發(fā)展這么多年,我們也因為臺風而付出過巨大的代價,一些風電場在臺風中遭受破壞,特別是2006年臺風“桑美”對蒼南鶴頂山風電場的破壞。這使得我們在開發(fā)這些地區(qū)風能的時候,不得不深思熟慮。為了解決臺風問題,我們希望從源頭開始,通過對臺風特性和對風力發(fā)電機組破壞原理的研究,設計出能適用臺風地區(qū)的風力發(fā)電機組。1關于臺風對風力發(fā)電機組的破壞的記錄和研究資料臺風一旦正面登陸,對風力發(fā)電機組的破壞是巨大的、具有顛覆性的,但可惜的是目前有關臺風對風力發(fā)電機組破壞的記錄和報道還不是很多,而且由于種種原因,很多珍貴的記錄資料都無法獲取供大家研究。下面是僅能搜集到的幾個臺風對風力發(fā)電機組破壞的情況。1.1風力發(fā)電系統2003年13號臺風“杜鵑”于8月29日生成后一路西行,其路徑如圖2所示,強度不斷加大,直逼廣東沿海。9月2日下午橫掃過汕尾地區(qū)的碣石灣,當晚7時50分在紅海灣西岸的惠東縣港口鎮(zhèn)登陸,登陸時中心附近最大風力達12級,登陸點附近某風電場風力發(fā)電機組測風系統測得極大風速為57m/s。紅海灣風電場共安裝有25臺V47-660變槳距風力發(fā)電機組,其中13臺位于低海拔平坦地帶,另外12臺安裝在海拔30~60m的丘陵地區(qū),離海岸線一般在2km以內。風電場25臺風力發(fā)電機組中有13臺受到不同程度損壞,其中有9臺風力發(fā)電機組葉片被損壞,見圖4.2所示,每臺只壞1個葉片,并且有7個葉片是處于下垂狀態(tài),只有6#、16#損壞葉片處于朝上位置。有專家去現場考察分析后認為,紅海灣風電場受臺風破壞的主要原因可能是葉片發(fā)生了大幅度的扭轉顫振和不利地形導致的。1.2蒼南風電場及其運行破壞2006年8月10日,臺風“桑美”登陸浙江省蒼南縣馬站鎮(zhèn),臺風路徑如圖3所示。臺風登陸后向西北偏西方向移動,穿過福建寧德后又折回浙江,經過麗水南部進入江西后消散。臺風登陸時中心附近最大風力17級(60m/s),中心氣壓為920百帕,浙江蒼南霞關觀測到的極大風速為68.0m/s,福建福鼎合掌巖觀測到的極大風速為75.8m/s。蒼南風電場位于馬站鎮(zhèn)西北8km左右的鶴頂山山脊上,10日17時25分左右臺風中心直接穿過風電場,現場測到的極大風速為81.1m/s。受其影響,蒼南鶴頂山風電場28臺風力發(fā)電機組全部受損,其中5臺倒塌,損失慘重。蒼南風電場共有28臺機組,裝機容量15.85MW,臺風過后只有2臺Nordtank550kW(機艙罩吹掉)、2臺Dewind600kW、1臺Vestas660kW和3臺Windey250kW基本完好,其余20臺機組都遭到不同程度的破壞。葉片破壞最為嚴重,15臺Vestas600kW風力發(fā)電機組僅可拼湊成2~3臺,其中2臺Windey750kW(27#、28#)基礎被吹翻,2臺Dewind600kW(19#,23#)在塔架下段折斷,倒地后又折為兩段,共折為三段,1臺Vestas600kW(7#)在塔架與基礎段連接處的螺栓拉斷,被完全吹倒。蒼南風電場遭到破壞的原因目前尚未有正式發(fā)表的文章可報道,但從大家討論中可以發(fā)現如下兩點:臺風“桑美”強度大,有些風力發(fā)電機組的設計安全等級沒有達到“桑美”的強度;蒼南鶴頂山地形復雜,使臺風經過時各種風況更加復雜、劇烈;1.3臺風“魚”造成的短路和不足2010年10月23日12時55分,臺風“鲇魚”在福建漳浦縣六鰲鎮(zhèn)正面登陸,其路徑如圖4所示。登陸時近中心最大風力13級(38米/秒),中心最大氣壓為970百帕,是2010年最強臺風。臺風“鲇魚”的正面登陸造成六鰲風電場三期Z13號風電機組倒塔、Z10號機組葉片折斷。造成一期兩臺箱變線圈短路燒損;二期兩臺機組輪轂進水,控制柜內元器件損壞;三期Z2、Z13號兩臺箱變繞組短路燒損。根據福建省氣候中心的風速計算報告結果,在Z13號風電機組倒塌時段內瞬時計算風速(3秒鐘平均)達70.2米/秒,湍流強度達0.3以上,超出了機組可承受的極端風速及湍流極大值;在Z10號風電機組葉片折斷時段內湍流強度高達0.3以上,入流角20°以上,湍流強度和入流角均大大超出機組可承受的最大湍流強度和最大入流角。2關于臺風的測量我們要設計適合于臺風地區(qū)的風力發(fā)電機組,首要任務是研究臺風,認清它的特性,但遺憾的是,到目前為止,大家對臺風特性的了解還不是很多,更缺少臺風原始數據的測量。雖然建筑、橋梁上很早就開始了對臺風的研究,也有一些測量的原始數據,但由于風力發(fā)電領域所關心的一些臺風特性與建筑、橋梁所關心的一些臺風特性有很大的不同,因此可以借鑒的內容不多。從目前國內鮮有的一些對風力發(fā)電領域關心的臺風特性研究來看,臺風主要有如下特性。2.1臺風的垂直方向臺風在水平方向上一般可分為臺風外圍、臺風本體和臺風中心三部分,如圖5所示。臺風外圍是螺旋云帶,直徑通常為400~600公里,有時可達800~1000公里;臺風本體是渦旋區(qū),也叫云墻區(qū),它由一些高大的對流云組成,其直徑一般為200公里,有時可達400公里;臺風中心到臺風眼區(qū),其直徑一般為10~60公里,大的超過100公里,小的不到10公里,絕大多數呈圓形,也有橢圓形或不規(guī)則的。臺風在垂直方向上分為流入層、中間層和流出層三部分,如圖6所示。從海面到3公里高度為流入層,3~8公里高度左右為中間層,從8公里高度左右到臺風頂是流出層。在流入層,四周的空氣作反時針(在北半球)方向向內流入,愈近中心風速愈大,把大量水汽自臺風外輸入臺風內部;中間層氣流主要是圍繞中心運動,底層流入現象到達云墻區(qū)基本停止,爾后氣流環(huán)繞眼壁作螺旋式上升運動;中間層上升氣流到達流出層時便向外擴散,流出的空氣一部分與四周空氣混合后下沉到底層,一部分在眼區(qū)下沉,組成了臺風的垂直環(huán)流區(qū)。臺風氣溫愈到中心愈高,氣壓愈到中心愈低。另外,發(fā)展成熟的臺風一般都是對稱的圓形,發(fā)展不成熟或受地形影響后的臺風一般呈橢圓形。2.2陸的臺風中心風力從文獻[1]的統計來看,從1949年~2000年的50年時間里,在浙江、福建、臺灣、廣東、廣西、海南6個地區(qū)登陸的臺風中,其中心風力≥32m/s的達442個之多。最大風速在數值上超過IEC標準I類的臺風共有101個,占整個臺風個數的約23%,超過了1/5,其中甚至有達到100m/s的臺風,如5822號臺風和5904號臺風,過程最大風速均達到100m/s。另外,從國內外的研究都發(fā)現,最強風均出現在臺風運行方向的右方區(qū)域,如圖7所示。2.3臺風“派比安”和“珍珠場”風向變化角度臺風經過時,一般風向會有比較大的變化,有的甚至達到180°的變化。下面是文獻[1]中提到的臺風“派比安”和臺風“珍珠”每5分鐘風向變化角度,其中線條長度為風的大小,箭頭為風的方向。從圖8、圖9可以看出,臺風風向變化不僅很大,而且有時還具有搖擺不定的特點,即風向不總是朝一個方向變,有時還會來一個“回馬槍”。2.4陣風因子的確定氣象上一般用陣風因子(陣風系數)來描述陣風特性。陣風因子一般定義為陣風持續(xù)周期(一般3s)內的平均風速最大值與10分鐘時距的水平平均風速之比,而IEC標準中定義的陣風周期是10.5s(1年一遇)和14s(50年一遇)。根據一些臺風資料數據的統計,其陣風因子甚至有達到2.0或更大的,如臺風“圣帕”的平均陣風因子就達2.01,但根據IEC標準中極大運行陣風計算公式計算得到的陣風因子一般在1.8以下。當然,也有一些臺風的陣風因子小于1.8的。下圖是日本Shionomisaki地區(qū)實測的一些臺風陣風因子的統計結果,通過擬合發(fā)現,風速到50m/s時陣風因子可能可以達到1.5。2.5臺風的湍流特性臺風經過時,臺風湍流強度明顯高于正常風的湍流強度,這是大家熟知的。關于臺風湍流強度的研究有比較多的資料,特別是建筑、橋梁領域,從這些統計來看,臺風湍流強度變化比較大,如福建省氣候中心對臺風“鲇魚”的風速計算報告顯示湍流強度達0.3,但也有非常多的臺風強度很小的,還沒有正常風湍流強度大。下圖是日本Tarama島上實測的一些臺風的湍流強度的統計結果。另外,臺風湍流強度U、V、W三個方向的大小之比也與正常風湍流強度不同,根據IEC標準,正常風湍流強度在U、V、W三個方向的比為1:0.8:0.5,而臺風湍流強度并不遵循這樣的規(guī)律,其V方向的湍流強度往往要比正常風的要大,如澳門友誼大橋上測得的臺風“鸚鵡”的V方向的湍流強度就達到U方向的0.96,W方向的湍流強度也有增大的。跟湍流強度大小一樣,也有非常多的臺風3個方向的湍流強度之比小于正常風湍流強度之比的。究其原因,可能是由臺風經過地方的下墊面、本身的結構、成熟度、強度以及測風設備距離臺風中心遠近等因素的綜合作用才導致湍流強度變化差異如此之大的。臺風特性還有臺風風速的風剪切、風傾斜角等特征,但目前這方面的資料很少,因此沒有太多的數據可以說明其變化情況,有的也只是一些模擬、經驗或推測。另外,臺風受下墊面影響,其特性會隨下墊