風(fēng)力水流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究

我國(guó)近海風(fēng)資源十分豐富，初步估算我國(guó)海上風(fēng)資源為7.5億kW^[1]，為陸地風(fēng)力資源的3倍。與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)具有節(jié)省土地資源、風(fēng)速高而且持續(xù)，沒有復(fù)雜地形對(duì)于氣流的影響,對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。因此，是當(dāng)前國(guó)際風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要方向。海水的大規(guī)模流動(dòng)含有巨大的能量，據(jù)估計(jì)，全球海流能高達(dá)5×10⁶MW,我國(guó)可開發(fā)的海流能約為3×10⁴MW。因此，發(fā)展風(fēng)力海流發(fā)電機(jī)對(duì)于保證我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展，具有重要戰(zhàn)略意義。

2  中國(guó)沿海風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)分布

2.1 風(fēng)場(chǎng)分布

冬季東亞地區(qū)受蒙古冷高壓和阿留申低壓的控制，冷空氣活動(dòng)頻繁，中國(guó)近海盛行偏北風(fēng)，風(fēng)速較大；夏季受西太平洋副熱帶高壓和西南季風(fēng)以及熱帶氣旋的影響，盛行偏南風(fēng)，風(fēng)速較小。

 如圖1所示，東南沿海是我國(guó)最大風(fēng)能資源區(qū)，浙江中部至廣東東部近海海域年平均風(fēng)速達(dá)8m/s以上，臺(tái)灣海峽中部達(dá)9m/s以上。30ºN以北江蘇近海和渤海西部6.5m/s-7.5m/s，渤海海峽到成山角7m/s -8m/s。廣東西部近海6.5 m/s-7.5m/s，海南島西部6.0 m/s-7.5m/s，廣西近海6.0 m/s-7.0m/s 。

          圖1  中國(guó)沿海年平均有效風(fēng)速圖

  不同風(fēng)速風(fēng)資源在海上風(fēng)力機(jī)項(xiàng)目中的利用情況^[2]見表1。

表1 不同風(fēng)速風(fēng)資源在海上風(fēng)力機(jī)項(xiàng)目中的利用情況

2.2  流場(chǎng)分布

 中國(guó)近海海域的海流可分為兩大系統(tǒng)：① 外來的黑潮暖流；② 海域內(nèi)生成的沿岸流和季風(fēng)漂流。

渤海沿岸以不正規(guī)半日潮和正規(guī)半日潮為主，遼東灣、渤海灣、萊州灣為不正規(guī)半日潮；龍口至蓬萊一帶屬正規(guī)半日潮，秦皇島以東和神仙溝附近屬正規(guī)全日潮，黃河口兩側(cè)為不正規(guī)全日潮（見圖2）。

黃海沿岸基本上屬于正規(guī)半日潮，威海至成山頭和靖海角、連云港外為不正規(guī)半日潮。 

 東海大陸沿岸除寧波至舟山之間海域?yàn)椴徽?guī)半日潮外，其余為正規(guī)半日潮。臺(tái)灣西岸從基隆至布袋為正規(guī)半日潮。其余為不正規(guī)半日潮。

        圖2  黃海、渤海及東海冬、夏季流系示意圖 

南海海域的海流較為復(fù)雜。過去認(rèn)為，從表層至200 m深處的上層水體都在季風(fēng)的制約下流動(dòng)，夏季東北漂流，冬季西南漂流。后來發(fā)現(xiàn)，在廣東外海冬季期間，海流由東北流向西南并非總體都是如此，在較深的水深處，有一狹窄的逆風(fēng)向海流，且流速較大（見圖3）。

        圖3 南海海域冬、夏季風(fēng)漂流圖

3  風(fēng)速發(fā)電模型及風(fēng)力載荷

3.1  風(fēng)速模型

 由于風(fēng)速的易變性和不可控性，幾乎時(shí)刻都有較大的擾動(dòng)，因此有必要建立相關(guān)的風(fēng)速模型，從而能夠?qū)︼L(fēng)速的變化進(jìn)行模擬，研究在一定風(fēng)速條件下系統(tǒng)的性能。

    為了比較準(zhǔn)確的描述風(fēng)的隨機(jī)性，可以將風(fēng)速分解為4種分量，即基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)^[3]，用公式表示為：

式中：V_WB是基本風(fēng)；V_WG是陣風(fēng)；V_WR是斜坡分量；V_WN是背景噪聲，單位為m/s。

各種風(fēng)速模型定義如下：

（1）基本風(fēng)

 風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通常處于某一功率水平下，原則上可認(rèn)為有一基本風(fēng)速V_WB與之對(duì)應(yīng)?；撅L(fēng)速V_WB可由風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得到的Welbull分布參數(shù)近似確定^[4]，由下式表示

式中：V_WB為基本風(fēng)速，m／s；A為Welbull分布的尺度參數(shù)；K為Welbull分布的形狀參數(shù)；Ґ為伽馬函數(shù)。

（2）陣風(fēng)

為了反映風(fēng)速的突然變化特性，可在基本風(fēng)上疊加一陣風(fēng)分量V_WG，由下式表示

式中：V_WG為陣風(fēng)風(fēng)速，m/s；T_G為周期，s；T_1G為陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間，s；(V_WG) max為陣風(fēng)最大值，m／s。

（3）漸變風(fēng)

為了反映風(fēng)速的漸變特性，可在基本風(fēng)上疊加一斜坡分量V_WR , 由下式表示

式中:V_WN為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速，m／s；φ_i為0~2π之間均勻分布的隨機(jī)變量；K_N為地面粗糙系數(shù)；F為擾動(dòng)范圍，m²；μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速，m／s；N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù)；ω_i為各個(gè)頻率段的頻率。

3.2  風(fēng)力機(jī)受力模型

 設(shè)v為風(fēng)力機(jī)葉片前方處的風(fēng)速，A為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面積，R為風(fēng)輪半徑，ρ為空氣密度。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)力機(jī)獲取的風(fēng)能為：

式中C_p為與氣動(dòng)性能相關(guān)的風(fēng)能利用系數(shù)，通常用單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比來表示。

根據(jù)式式（5）可以得到葉片吸收風(fēng)能后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為

式中Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

風(fēng)輪機(jī)不能把通過其旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)功率全部吸收, 以至于風(fēng)輪機(jī)后方的空氣速度不能降為零。通過風(fēng)吹過葉片形成葉片正反面的壓差, 這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力, 使風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流^[5]。風(fēng)輪機(jī)周圍的沖量如圖4所示, V₁，V₁，P_m1，P_m2分別是經(jīng)過風(fēng)輪機(jī)前、后的風(fēng)速和壓強(qiáng), P₀是大氣壓強(qiáng)。由伯努利定律可得：

                圖4  風(fēng)輪機(jī)周圍的沖量

作用在風(fēng)輪機(jī)上的升力 F 如式 (2—10) 所示

4  波浪力

Morison方程假定作用在樁柱上的總波浪力f由兩個(gè)部分組成^[6]：① 流過樁柱的流體，由于物體存在而引起流體運(yùn)動(dòng)的加速度或減速所產(chǎn)生的力，稱為慣性力f₁；② 當(dāng)流體流過樁柱時(shí)由于粘性作用在柱壁產(chǎn)生的阻力，因?yàn)樗拇笮∨c流速大小有關(guān)，稱為速度力f_D，也稱為托拽力。

               圖5  波浪力計(jì)算簡(jiǎn)圖

慣性力f₁數(shù)值上等于這個(gè)體積的水體質(zhì)量乘以它的加速度。由于在流場(chǎng)中，這個(gè)體積的水體中各點(diǎn)的加速度均不同，可以采用沿樁柱軸線上各點(diǎn)的加速度來代表各相應(yīng)深度處樁柱截面內(nèi)各點(diǎn)的加速度。此外，除了被樁柱所占體積的那部分水體外，在樁柱附近還有一部分水體也被加速或減速，因此，真正作用在樁柱上的作用力尚應(yīng)乘以一個(gè)系數(shù)。

式中：C_m稱為質(zhì)量系數(shù)或慣性系數(shù)；u為水質(zhì)點(diǎn)的速度; 為z點(diǎn)處水質(zhì)點(diǎn)的加速度。

托拽力f_D與質(zhì)點(diǎn)速度的平方和物體與質(zhì)點(diǎn)速度垂直方向的投影面積成正比。由于波動(dòng)流是雙向往復(fù)的，因此速度的平方應(yīng)改為速度向量與速度絕對(duì)值的乘積。

  式中：C_d幾為速度力系數(shù)，與樁柱形狀及柱壁摩阻力有關(guān)。

  作用在單位高度樁柱上總的作用力f為：

5  洋流發(fā)電機(jī)

 研究與試驗(yàn)表明，目前可以相對(duì)高效利用海流發(fā)電的水輪機(jī)有兩種：“螺旋狀”式水輪機(jī)和“中心開敞”式水輪機(jī)。這兩項(xiàng)技術(shù)都可以在水下某一固定區(qū)域放置多臺(tái)水輪機(jī)及與之相連的發(fā)電機(jī)。這里只介紹

“螺旋狀”式水輪機(jī)工作原理。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪俯視草圖見圖6。

               圖6  水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪俯視草圖

“螺旋狀”式水輪機(jī)專用于在低水頭、高水流條件下工作。水輪機(jī)由一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)葉片組成，這些葉片就像螺旋線纏繞成一個(gè)圓筒狀。對(duì)于來自任何一個(gè)方向的水流，螺旋狀水輪機(jī)葉片都產(chǎn)生一個(gè)與葉片前緣垂直的推動(dòng)力。水輪機(jī)的軸帶動(dòng)與之連接的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

 密歇根大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，直徑1016mm、高838.2mm的三螺旋可反轉(zhuǎn)式水輪機(jī)，在流速為0.6m/s~2.4m/s時(shí)發(fā)電的效率可達(dá)35%。實(shí)驗(yàn)表明，螺旋式水輪機(jī)開始發(fā)電的流速約為0.6m/s，流速增加，發(fā)電量增加。水流速為1.5m/s時(shí)，水輪機(jī)產(chǎn)生的電力為500W，水流速在2.4m/s時(shí)，產(chǎn)生電力達(dá)2000W。

6 海上風(fēng)力機(jī)安全性研究

海上風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，高鹽霧、多腐蝕、浪載大，使得風(fēng)電機(jī)組非常容易受到損壞^[7]。

6.1 鹽霧帶來的主要危害

（1）鹽霧與空氣中的其他顆粒物在葉片靜電作用下，在葉片表面形成覆蓋層，嚴(yán)重影響葉片氣動(dòng)性能，產(chǎn)生噪聲，影響美觀。

（2）破壞設(shè)備強(qiáng)度，降低風(fēng)力機(jī)組承受的最大載荷，影響設(shè)備運(yùn)行安全性。

6.2  臺(tái)風(fēng)影響

臺(tái)風(fēng)對(duì)我國(guó)東南沿海影響廣泛，每年皆受到（1~3）次臺(tái)風(fēng)影響，頻次很高。

（1）臺(tái)風(fēng)風(fēng)力帶來的破壞 

面向臺(tái)風(fēng)登陸前進(jìn)方向的桿塔，因受到超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊，造成倒桿、折彎，引起線路跳閘；

（2）臺(tái)風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨破壞 

雨水沖刷線路桿塔基礎(chǔ)，引起塔桿傾斜甚至倒塌，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全，有時(shí)甚至造成大面積停電，給電網(wǎng)帶來巨大損失。

6.3  安全性設(shè)計(jì)

6.3.1 機(jī)械部件裕度設(shè)計(jì)

所謂裕度設(shè)計(jì)，就是針對(duì)重要機(jī)械零部件，設(shè)定較大的安全系數(shù)。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中受到的載荷是不斷變化的，在一定裕度下，則可以使風(fēng)力機(jī)免受損害。 但裕度過大將會(huì)使風(fēng)力機(jī)成本過高。裕度設(shè)計(jì)主要針對(duì)風(fēng)力機(jī)中比較重要、受載荷較多較復(fù)雜的部件，例如主軸、輪轂、塔筒等。

6.3.2 防松設(shè)計(jì)

（1）對(duì)于承受多變載荷的高強(qiáng)度螺栓，為了提高在多變載荷作用下的螺栓疲勞強(qiáng)度，要求被連接件夾緊厚度至少大于5倍螺栓公稱直徑。

（2）優(yōu)先采用螺栓螺母連接的連接方式，盡量避免采用螺栓和內(nèi)螺紋的連接形式。

（3）緊固螺栓應(yīng)從設(shè)計(jì)上確保不受剪力，可能受剪的重要連接處應(yīng)采用螺栓加銷或鉸制孔螺栓等措施。

（4）受力重要螺栓連接應(yīng)不少于兩道防松，且其中至少有一道是除了彈墊、緊固力矩之外的機(jī)械防松。涂膠、彈墊均不能作為可靠地防松措施而采用。

（5）原則上不允許將緊固件設(shè)計(jì)成從下往上緊固。

6.3.3 防銹

在國(guó)內(nèi)，解決這一問題的方法一般分兩種：① 使用普通的防銹漆，其性能并不適應(yīng)于侵蝕性強(qiáng)的野外環(huán)境下螺栓的保護(hù)，需要經(jīng)常維護(hù)，不能從根本上解決防腐蝕問題；② 使用價(jià)格昂貴的不銹鋼螺栓。在國(guó)外，大多數(shù)使用高質(zhì)高效的螺栓防護(hù)蓋。

    此外，國(guó)外海上風(fēng)力機(jī)緊固件防銹的經(jīng)驗(yàn)表明，海上風(fēng)力機(jī)螺栓連接10.9級(jí)與10.9級(jí)以下應(yīng)采用不同的防銹措施，在保證可靠度的同時(shí)，還能盡可能的降低成本。

7  結(jié)語

盡管海上發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)成本很高， 但是由于海上風(fēng)電的特殊需求，風(fēng)能工業(yè)將繼續(xù)高速發(fā)展。用IEA標(biāo)準(zhǔn)方法預(yù)測(cè)，海上發(fā)電成本是：0.42元/kWh。 考慮到未來能源和環(huán)境保護(hù)等問題，與火電相比，海上風(fēng)電、水流電已經(jīng)具備了一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)海上風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，并且是世界上海流能資源密度最高的國(guó)家之一，所以海上風(fēng)力、水流發(fā)電將是我國(guó)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域，是“方向中的方向”。

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