中国海上风能开发的几点思考

中国海上风能开发的几点思考

0中国沿海地区风电现状中国已经开始发展海上能源。东南沿海省份，如浙江、福建、广东、海南等，已开始规划。特别是去年日本岛的核气速带倒塌后，所有省份都加快了海上能源的规划和开发。但中国要发展海上风电,台风是一个无法回避的问题。在中国绵延近两万公里的海岸线上,每年都有强度不同的台风来袭。下图是根据中国1949年~2006年《热带气旋年鉴》统计的登陆中国沿海各省热带气旋个数因为台风问题,目前为止,东南沿海省份装机容量都不多,而大部分装机仍然在中国的北方。风电发展这么多年,我们也因为台风而付出过巨大的代价,一些风电场在台风中遭受破坏,特别是2006年台风“桑美”对苍南鹤顶山风电场的破坏。这使得我们在开发这些地区风能的时候,不得不深思熟虑。为了解决台风问题,我们希望从源头开始,通过对台风特性和对风力发电机组破坏原理的研究,设计出能适用台风地区的风力发电机组。1关于台风对风力发电机组的破坏的记录和研究资料台风一旦正面登陆,对风力发电机组的破坏是巨大的、具有颠覆性的,但可惜的是目前有关台风对风力发电机组破坏的记录和报道还不是很多,而且由于种种原因,很多珍贵的记录资料都无法获取供大家研究。下面是仅能搜集到的几个台风对风力发电机组破坏的情况。1.1风力发电系统2003年13号台风“杜鹃”于8月29日生成后一路西行,其路径如图2所示,强度不断加大,直逼广东沿海。9月2日下午横扫过汕尾地区的碣石湾,当晚7时50分在红海湾西岸的惠东县港口镇登陆,登陆时中心附近最大风力达12级,登陆点附近某风电场风力发电机组测风系统测得极大风速为57m/s。红海湾风电场共安装有25台V47-660变桨距风力发电机组,其中13台位于低海拔平坦地带,另外12台安装在海拔30~60m的丘陵地区,离海岸线一般在2km以内。风电场25台风力发电机组中有13台受到不同程度损坏,其中有9台风力发电机组叶片被损坏,见图4.2所示,每台只坏1个叶片,并且有7个叶片是处于下垂状态,只有6#、16#损坏叶片处于朝上位置。有专家去现场考察分析后认为,红海湾风电场受台风破坏的主要原因可能是叶片发生了大幅度的扭转颤振和不利地形导致的。1.2苍南风电场及其运行破坏2006年8月10日,台风“桑美”登陆浙江省苍南县马站镇,台风路径如图3所示。台风登陆后向西北偏西方向移动,穿过福建宁德后又折回浙江,经过丽水南部进入江西后消散。台风登陆时中心附近最大风力17级(60m/s),中心气压为920百帕,浙江苍南霞关观测到的极大风速为68.0m/s,福建福鼎合掌岩观测到的极大风速为75.8m/s。苍南风电场位于马站镇西北8km左右的鹤顶山山脊上,10日17时25分左右台风中心直接穿过风电场,现场测到的极大风速为81.1m/s。受其影响,苍南鹤顶山风电场28台风力发电机组全部受损,其中5台倒塌,损失惨重。苍南风电场共有28台机组,装机容量15.85MW,台风过后只有2台Nordtank550kW(机舱罩吹掉)、2台Dewind600kW、1台Vestas660kW和3台Windey250kW基本完好,其余20台机组都遭到不同程度的破坏。叶片破坏最为严重,15台Vestas600kW风力发电机组仅可拼凑成2~3台,其中2台Windey750kW(27#、28#)基础被吹翻,2台Dewind600kW(19#,23#)在塔架下段折断,倒地后又折为两段,共折为三段,1台Vestas600kW(7#)在塔架与基础段连接处的螺栓拉断,被完全吹倒。苍南风电场遭到破坏的原因目前尚未有正式发表的文章可报道,但从大家讨论中可以发现如下两点:台风“桑美”强度大,有些风力发电机组的设计安全等级没有达到“桑美”的强度;苍南鹤顶山地形复杂,使台风经过时各种风况更加复杂、剧烈;1.3台风“鱼”造成的短路和不足2010年10月23日12时55分,台风“鲇鱼”在福建漳浦县六鳌镇正面登陆,其路径如图4所示。登陆时近中心最大风力13级(38米/秒),中心最大气压为970百帕,是2010年最强台风。台风“鲇鱼”的正面登陆造成六鳌风电场三期Z13号风电机组倒塔、Z10号机组叶片折断。造成一期两台箱变线圈短路烧损;二期两台机组轮毂进水,控制柜内元器件损坏;三期Z2、Z13号两台箱变绕组短路烧损。根据福建省气候中心的风速计算报告结果,在Z13号风电机组倒塌时段内瞬时计算风速(3秒钟平均)达70.2米/秒,湍流强度达0.3以上,超出了机组可承受的极端风速及湍流极大值;在Z10号风电机组叶片折断时段内湍流强度高达0.3以上,入流角20°以上,湍流强度和入流角均大大超出机组可承受的最大湍流强度和最大入流角。2关于台风的测量我们要设计适合于台风地区的风力发电机组,首要任务是研究台风,认清它的特性,但遗憾的是,到目前为止,大家对台风特性的了解还不是很多,更缺少台风原始数据的测量。虽然建筑、桥梁上很早就开始了对台风的研究,也有一些测量的原始数据,但由于风力发电领域所关心的一些台风特性与建筑、桥梁所关心的一些台风特性有很大的不同,因此可以借鉴的内容不多。从目前国内鲜有的一些对风力发电领域关心的台风特性研究来看,台风主要有如下特性。2.1台风的垂直方向台风在水平方向上一般可分为台风外围、台风本体和台风中心三部分,如图5所示。台风外围是螺旋云带,直径通常为400~600公里,有时可达800~1000公里;台风本体是涡旋区,也叫云墙区,它由一些高大的对流云组成,其直径一般为200公里,有时可达400公里;台风中心到台风眼区,其直径一般为10~60公里,大的超过100公里,小的不到10公里,绝大多数呈圆形,也有椭圆形或不规则的。台风在垂直方向上分为流入层、中间层和流出层三部分,如图6所示。从海面到3公里高度为流入层,3~8公里高度左右为中间层,从8公里高度左右到台风顶是流出层。在流入层,四周的空气作反时针(在北半球)方向向内流入,愈近中心风速愈大,把大量水汽自台风外输入台风内部;中间层气流主要是围绕中心运动,底层流入现象到达云墙区基本停止,尔后气流环绕眼壁作螺旋式上升运动;中间层上升气流到达流出层时便向外扩散,流出的空气一部分与四周空气混合后下沉到底层,一部分在眼区下沉,组成了台风的垂直环流区。台风气温愈到中心愈高,气压愈到中心愈低。另外,发展成熟的台风一般都是对称的圆形,发展不成熟或受地形影响后的台风一般呈椭圆形。2.2陆的台风中心风力从文献[1]的统计来看,从1949年~2000年的50年时间里,在浙江、福建、台湾、广东、广西、海南6个地区登陆的台风中,其中心风力≥32m/s的达442个之多。最大风速在数值上超过IEC标准I类的台风共有101个,占整个台风个数的约23%,超过了1/5,其中甚至有达到100m/s的台风,如5822号台风和5904号台风,过程最大风速均达到100m/s。另外,从国内外的研究都发现,最强风均出现在台风运行方向的右方区域,如图7所示。2.3台风“派比安”和“珍珠场”风向变化角度台风经过时,一般风向会有比较大的变化,有的甚至达到180°的变化。下面是文献[1]中提到的台风“派比安”和台风“珍珠”每5分钟风向变化角度,其中线条长度为风的大小,箭头为风的方向。从图8、图9可以看出,台风风向变化不仅很大,而且有时还具有摇摆不定的特点,即风向不总是朝一个方向变,有时还会来一个“回马枪”。2.4阵风因子的确定气象上一般用阵风因子(阵风系数)来描述阵风特性。阵风因子一般定义为阵风持续周期(一般3s)内的平均风速最大值与10分钟时距的水平平均风速之比,而IEC标准中定义的阵风周期是10.5s(1年一遇)和14s(50年一遇)。根据一些台风资料数据的统计,其阵风因子甚至有达到2.0或更大的,如台风“圣帕”的平均阵风因子就达2.01,但根据IEC标准中极大运行阵风计算公式计算得到的阵风因子一般在1.8以下。当然,也有一些台风的阵风因子小于1.8的。下图是日本Shionomisaki地区实测的一些台风阵风因子的统计结果,通过拟合发现,风速到50m/s时阵风因子可能可以达到1.5。2.5台风的湍流特性台风经过时,台风湍流强度明显高于正常风的湍流强度,这是大家熟知的。关于台风湍流强度的研究有比较多的资料,特别是建筑、桥梁领域,从这些统计来看,台风湍流强度变化比较大,如福建省气候中心对台风“鲇鱼”的风速计算报告显示湍流强度达0.3,但也有非常多的台风强度很小的,还没有正常风湍流强度大。下图是日本Tarama岛上实测的一些台风的湍流强度的统计结果。另外,台风湍流强度U、V、W三个方向的大小之比也与正常风湍流强度不同,根据IEC标准,正常风湍流强度在U、V、W三个方向的比为1:0.8:0.5,而台风湍流强度并不遵循这样的规律,其V方向的湍流强度往往要比正常风的要大,如澳门友谊大桥上测得的台风“鹦鹉”的V方向的湍流强度就达到U方向的0.96,W方向的湍流强度也有增大的。跟湍流强度大小一样,也有非常多的台风3个方向的湍流强度之比小于正常风湍流强度之比的。究其原因,可能是由台风经过地方的下垫面、本身的结构、成熟度、强度以及测风设备距离台风中心远近等因素的综合作用才导致湍流强度变化差异如此之大的。台风特性还有台风风速的风剪切、风倾斜角等特征,但目前这方面的资料很少,因此没有太多的数据可以说明其变化情况,有的也只是一些模拟、经验或推测。另外,台风受下垫面影响,其特性会随下垫