• 头条飓风对离岸风场影响巨大,需进一步优化风机极限设计
    2019-09-06 作者:刘星  |  来源:《电气技术》杂志社  |  点击率:
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    导语近年来,国内外学者就近海台风登陆情况、台风影响下的极端风速分布以及台风的破坏机理等做了系统性的分析和研究。

    一直以来,风电都被视为重要的绿色电力来源之一。而不占用土地资源、海上风力资源丰沛、没有遮挡物、发电利用小时数高、更适宜大规模开发的离岸风电已成为全球风电领域的“潜力股”。但是,频频上岸的飓风对离岸风电厂来说实是一把“双刃剑”:强度较弱的飓风一方面可以给风场带来较多的“满发”小时数,增加发电量,提高风场经济效益;另一方面,强度较强的飓风会给风场设备带来极大的破坏。

    飓风对离岸风场影响巨大,需进一步优化风机极限设计

     

    2014年,中心风力高达17级的超强台风“威马逊”登陆海南文昌,文昌风电厂3台机组损毁,1台被整体吹倒,2台风机叶片被吹跑;广东湛江徐闻勇士风电场15台风机被整体吹倒,3台风机叶片破裂、机舱破开,发动机掉落。从这些数字可以看出,飓风对离岸风电场的破坏性不容忽视。

    为了提高风机的抗飓风能力,更好地提高风场经济效益,需要深入研究飓风对离岸风场的影响,了解离岸风机的最大承受极限,进而修改风机设计,使制造商打造出更耐用与安全的离岸风机。还要利用飓风风险评估,帮助开发商设计出更安全可靠的离岸风场建设计划等。

    据了解,美国马萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass)为了评估飓风对离岸风机的影响,已经进行了计算机模型仿真实验与离岸风电结构研究,希望全新评估报告可帮助厂商改良风机设计。

    对于纽约州、新纽泽西州、麻州等人口密集的大州来说,开发离岸风电对地域有限的美国东海岸地区相当重要。美国首座离岸风电 Block Island 在 2018 年初正式运转,预估总容量在 2022-2023 年才会达到 1GW,发展较为缓慢。

    近年来,美国正在加速开发离岸风电的步伐,如东海岸一个超过 10000MW 的离岸风电项目正在开发中。若计划进行顺利将为美国东岸带来庞大的电力。有发展就有挑战,飓风经过或直扑美国的机率比较大,东岸更是首当其冲。

    飓风中的风机为何那么不堪一击呢?研究指出,飓风登陆过程的突变风向、瞬时风速和极大湍流是推毁风机的罪魁祸首。同时,风机的抗飓风能力还与风场的地形环境和风机的结构设计与控制方法等有关。此外,飓风往往伴随很多极端的天气(如强雷暴、强雨水等),这也会对风机造成一定的破坏。

    飓风对离岸风场影响巨大,需进一步优化风机极限设计

     

    随着2018 年沃旭能源启动双都卜勒雷达计划,来研究台风、气象动态对风机的影响,UMass也开始着手研究飓风与东海岸离岸风电之间的相互影响,致力将风机伤害降至最低。UMass土木与环境工程教授 Sanjay R. Arwade表示,人们知道如何分析钻井平台、风电等离岸结构,了解怎么预测飓风动向,但是过去很少有人整合这两类数据。因此团队正投入这项研究,比如评估狂风对涡轮机的影响,固定式与浮动式风机能承受多大的破碎波(breaking wave)等。

    其中,台风引起的巨大波浪传播速度较快,未登陆就会出现滔天巨浪。而海浪朝海岸前进时,由于海底逐渐变浅,波浪会变陡而破碎、形成不同方向的沿岸流。UMass 团队为了研究破碎波对风机的影响,绘制出了破碎波海图,以及运用计算机模型来仿真未来飓风和气候变化的可能性。他们认为,了解风机与环境的相互影响相当重要。新型飓风风险模型将对风机安全设计提供参考,帮助厂商们提升离岸风机在长达20年的生命周期中度过各种环境天灾的能力。

    近年来,国内外学者就近海台风登陆情况、台风影响下的极端风速分布以及台风的破坏机理等做了系统性的分析和研究。行业专家指出,风机的抗台风设计首先应在结构上做文章,如持续提高提高支撑结构(塔筒与基础)的安全系数,避免整体倾斜的颠覆性破坏;其次,结合风机的运行状态,考虑风向、湍流和变桨、偏航等控制参数,进行综合分析以应对瞬时风速;再次,根据风场叶片的损坏程度,优化叶片设计,增强其抗台风的能力;最后,开发智能偏航装置,降低强风所增加的机组载荷,如降低叶片、塔架负载等,提高风机可靠性。

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