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风电机组技术瓶颈研究与解决方案
2015-12-13 00:00

风电机组技术瓶颈研究与解决方案

 张辉华  韩艳洁

一、现在风力发电机组设备的技术瓶颈

现有的风力发电机组分工业用、农业用、军用,又分垂直轴和水平轴两种。垂直轴风机是阻力型的,所以不能做大;而水平轴风机是升力型的,所以是现在大功率风机的首选。

不论是工业用、农业用、军用,目前的水平轴风力发电机组多为3~5个叶片,都有一个固定端和一个自由端。存在风轮漏风量大、扑风功效低、叶片龟裂易断寿命短、可利用风速范围小、输出功率提升难度大、投资高且回收投资周期长等缺点;而非工业用的失速型小型风力发电机组还存在叶片角度不可调节、容易飞车等缺点,安全性与可靠性都不可控制。

由于石化能源的短缺及对气候的严重污染,清洁的可再生能源越来越被世界各国重视和需要。然而,安全性差、故障率高、功率偏小、捕风效率低是目前风力发电机组大规模发展的技术瓶颈。

二、如何解决限制风电机组发展的技术瓶颈

针对目前国内外风机发展现状,中国张家口市可再生能源示范区的企业与北京、天津等多位专家、教授经过多年的研制、试验,最终找到了打破这一瓶颈的办法---风轮采用框架圆结构。20158月,张家口市可再生能源示范区成功下线了首台“框架圆”结构的水平轴风力发电机组,为制造特大型超大功率的风力发电机组奠定了坚实的实际基础和理论依据。该结构机组已经通过了PCT国际专利认定。该结构风轮是在只改变现有风机叶轮结构、叶片数量、叶片调节方式,其他结构与现有风机基本相同的基础上进行设计的。风轮中装有多个叶片,叶片纵向有叶片轴穿过并固定在框架圆上,轮毂中设有叶片协同调节机构,可根据不同风速实现叶片迎风角度的智能化同步调节,叶片纵向距离风机主轴越远扫风面积越大,与现有风机叶片纵向面积布置相反。框架圆结构水平轴风力发电机组的特点如下:

 特点1、叶片数量多:本结构可以根据不同地域风资源的特性,安装6~18个叶片。是现有风机叶片数量的2~9倍,大约相当于现有3叶片风机的一根杆子上安装了2~93叶片的风轮。如右图是12个叶片的风轮。

特点2、单片做功多:本风轮结构叶片是“扭曲+弯曲+船桨+刀型”的结合体,呈螺旋形,况且面积也是等长度普通叶片的2倍左右,呈现了优良的低风速旋转,有风就能发电的性能,所以做功多是必然的。

特点3、单机功率大:该结构风轮的单叶面积大、扭矩大、做功多,叶片数量多,所以相同扫风面积时单机发电功率增加多。如果与现有5MW工业化大风机相比,在扫风面积相同的情况下,该结构风机的单机额定功率就可达到10MW。如下图

况且本结构风轮叶片由于有支撑,没有自由端,叶片还可以加长加宽,即风机的单机功率还可以做得更大。

特点4、风轮寿命长: 现有风电机组的风轮叶片由于都有自由端,大风机的叶片无一例外地会出现龟裂,所以风吹断裂时有发生;而民用风轮叶角不可调,更增多了叶片断裂飞离和风轮超速的故障概率。

“一个杆子三根棍,飓风一过:只见杆子不见棍”就是现有风机的缺点写照。

本框架圆结构风轮的叶片无自由端,两端相对都固定,风轮有斜支撑,抗台风性能非常明显;即使民用、军用、海上用的小风机,由于叶角可调,转速可控,也不会出现超速的故障。

下面三个图就是现有风力发电机组与框架圆结构风力发电机组的比较。体现了框架圆风电机组寿命长的特点。

特点5、年用小时多:现有风机折合满负荷年利用1800-2600小时,这还甚至包括超风速停机、故障停机等不发电的时间。而框架圆风机故障率相比很低,所以折合满负荷年利用小时将达3500-5000小时,实现真真意义上的“有风永动”,因为台风天气的情况下,本结构风机也是在满负荷发电的。

以一个装机100MW的风电场为例,风机每年满负荷利用小时增加1700~2400小时,可以增加收入8500万元~12000万元。

如下图:是某风电场10月份就出现的超风速停机图,21台风机因超风速停机17台(3台无通讯不计),占比81%

特点6、防雷效果强:现有风机叶片接闪点安装难,仅有或局限的几个接闪点难以起到较好的防雷作用,所以叶片常被击坏;而本结构风轮有金属框架圆和前部避雷针全方位导电防雷系统,没有防雷的死角,所以常见的雷电都逃不过本机组的预防。

三、未来风力发电机组的发展方向

未来的能源供给,可再生能源所占比重越来越大。到2030年,河北省张家口市规划可再生能源占比达到50%,习总书记在联合国大会承诺中国可再生能源占比将达到30%。所以,可再生能源必将成为中国的或部分地区的第一大主力能源。为此,高强度、高效率、大功率、抗台风、长寿命等必将是未来风电机组的发展方向。只有这样,才能在光伏占地和风电占地有限的情况下,达到我们所追求的可再生能源占比目标。

从目前在运营的风电制造技术来看,很难做到这一点。单靠加大、加长叶片的办法增加机组功率,增加量十分有限,却增加了叶片龟裂或断裂的概率,尤其是在北方寒冷地区,等待合适的叶片修复时机不容易,常常需要等待一个冬季,所以加长叶片增加的功率又被断裂叶片等待修复时损失的功率抵消殆尽,而更换一次断叶片的费用损失少则几十万多则几百万,额外增加了业主的经济负担,所以加长叶片的经济性并不理想。

风力发电机组的单机功率要想做大,必须进行颠覆性技术突破。框架圆结构水平轴风力发电机组正是基于这一点,从结构上进行了颠覆性创新。由于其结构的创新性、新颖性、工业实用性,由于其微风、台风都发电的特点,为制造并网型大功率的风力发电机组提供了强有力的技术支持和理论依据,同时,也为制造离网型风电机组给分散型用户提供可靠的不间断的电能、热能提供了强有力的技术支撑,为大规模普及风电可再生能源、风光互补可再生能源奠定了坚实的技术基础。

对中小型风电机组来说,现有的中小型风力发电机组解决了偏远地区或离散型用户的用电需求,为可再生能源的发展奠定了基础,但也是由于其结构性的缺点——故障率高、安全性差,成为困扰制造厂家和用户的难解之题,在人们对中小型风电狂热之后,市场逐渐趋于萎缩。所以也需要有颠覆性的创新技术来振兴小风电市场,来满足人们对中小型风电设备越来越高的要求或智能化的渴望。框架圆结构风电机组,同样也适用于中小型风电领域,如上图,就是框架圆结构在风光互补路灯上的应用。

当然,随着世界各国对可再生能源的越来越重视,更加优化的风电机组结构会不断创新涌现,高强度、高效率、大功率、抗台风、长寿命等必将是未来风电机组的发展方向。

作者简介及联系方式:

新:张家口市新能源协会科技专业委员会主任风电专家qxnykjyxgs@126.com

张辉华:河北省张家口市工信局公务员硕士huihua501@126.com

韩艳洁:留美华人,在读硕士。


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