中國(guó)海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)的幾點(diǎn)思考

中國(guó)海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)的幾點(diǎn)思考

0中國(guó)沿海地區(qū)風(fēng)電現(xiàn)狀中國(guó)已經(jīng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)。但中國(guó)要發(fā)展海上風(fēng)電,臺(tái)風(fēng)是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。在中國(guó)綿延近兩萬(wàn)公里的海岸線上,每年都有強(qiáng)度不同的臺(tái)風(fēng)來(lái)襲。下圖是根據(jù)中國(guó)1949年~2006年《熱帶氣旋年鑒》統(tǒng)計(jì)的登陸中國(guó)沿海各省熱帶氣旋個(gè)數(shù)因?yàn)榕_(tái)風(fēng)問(wèn)題,目前為止,東南沿海省份裝機(jī)容量都不多,而大部分裝機(jī)仍然在中國(guó)的北方。風(fēng)電發(fā)展這么多年,我們也因?yàn)榕_(tái)風(fēng)而付出過(guò)巨大的代價(jià),一些風(fēng)電場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)中遭受破壞,特別是2006年臺(tái)風(fēng)“桑美”對(duì)蒼南鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)的破壞。這使得我們?cè)陂_(kāi)發(fā)這些地區(qū)風(fēng)能的時(shí)候,不得不深思熟慮。為了解決臺(tái)風(fēng)問(wèn)題,我們希望從源頭開(kāi)始,通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)特性和對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組破壞原理的研究,設(shè)計(jì)出能適用臺(tái)風(fēng)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞的記錄和研究資料臺(tái)風(fēng)一旦正面登陸,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞是巨大的、具有顛覆性的,但可惜的是目前有關(guān)臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組破壞的記錄和報(bào)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(wú)法獲取供大家研究。下面是僅能搜集到的幾個(gè)臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組破壞的情況。1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2003年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”于8月29日生成后一路西行,其路徑如圖2所示,強(qiáng)度不斷加大,直逼廣東沿海。9月2日下午橫掃過(guò)汕尾地區(qū)的碣石灣,當(dāng)晚7時(shí)50分在紅海灣西岸的惠東縣港口鎮(zhèn)登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)12級(jí),登陸點(diǎn)附近某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)風(fēng)系統(tǒng)測(cè)得極大風(fēng)速為57m/s。紅海灣風(fēng)電場(chǎng)共安裝有25臺(tái)V47-660變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,其中13臺(tái)位于低海拔平坦地帶,另外12臺(tái)安裝在海拔30~60m的丘陵地區(qū),離海岸線一般在2km以內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)25臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中有13臺(tái)受到不同程度損壞,其中有9臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片被損壞,見(jiàn)圖4.2所示,每臺(tái)只壞1個(gè)葉片,并且有7個(gè)葉片是處于下垂?fàn)顟B(tài),只有6#、16#損壞葉片處于朝上位置。有專家去現(xiàn)場(chǎng)考察分析后認(rèn)為,紅海灣風(fēng)電場(chǎng)受臺(tái)風(fēng)破壞的主要原因可能是葉片發(fā)生了大幅度的扭轉(zhuǎn)顫振和不利地形導(dǎo)致的。1.2蒼南風(fēng)電場(chǎng)及其運(yùn)行破壞2006年8月10日,臺(tái)風(fēng)“桑美”登陸浙江省蒼南縣馬站鎮(zhèn),臺(tái)風(fēng)路徑如圖3所示。臺(tái)風(fēng)登陸后向西北偏西方向移動(dòng),穿過(guò)福建寧德后又折回浙江,經(jīng)過(guò)麗水南部進(jìn)入江西后消散。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力17級(jí)(60m/s),中心氣壓為920百帕,浙江蒼南霞關(guān)觀測(cè)到的極大風(fēng)速為68.0m/s,福建福鼎合掌巖觀測(cè)到的極大風(fēng)速為75.8m/s。蒼南風(fēng)電場(chǎng)位于馬站鎮(zhèn)西北8km左右的鶴頂山山脊上,10日17時(shí)25分左右臺(tái)風(fēng)中心直接穿過(guò)風(fēng)電場(chǎng),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)到的極大風(fēng)速為81.1m/s。受其影響,蒼南鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)28臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部受損,其中5臺(tái)倒塌,損失慘重。蒼南風(fēng)電場(chǎng)共有28臺(tái)機(jī)組,裝機(jī)容量15.85MW,臺(tái)風(fēng)過(guò)后只有2臺(tái)Nordtank550kW(機(jī)艙罩吹掉)、2臺(tái)Dewind600kW、1臺(tái)Vestas660kW和3臺(tái)Windey250kW基本完好,其余20臺(tái)機(jī)組都遭到不同程度的破壞。葉片破壞最為嚴(yán)重,15臺(tái)Vestas600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組僅可拼湊成2~3臺(tái),其中2臺(tái)Windey750kW(27#、28#)基礎(chǔ)被吹翻,2臺(tái)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(tái)Vestas600kW(7#)在塔架與基礎(chǔ)段連接處的螺栓拉斷,被完全吹倒。蒼南風(fēng)電場(chǎng)遭到破壞的原因目前尚未有正式發(fā)表的文章可報(bào)道,但從大家討論中可以發(fā)現(xiàn)如下兩點(diǎn):臺(tái)風(fēng)“桑美”強(qiáng)度大,有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)安全等級(jí)沒(méi)有達(dá)到“桑美”的強(qiáng)度;蒼南鶴頂山地形復(fù)雜,使臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)各種風(fēng)況更加復(fù)雜、劇烈;1.3臺(tái)風(fēng)“魚”造成的短路和不足2010年10月23日12時(shí)55分,臺(tái)風(fēng)“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(shí)近中心最大風(fēng)力13級(jí)(38米/秒),中心最大氣壓為970百帕,是2010年最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的正面登陸造成六鰲風(fēng)電場(chǎng)三期Z13號(hào)風(fēng)電機(jī)組倒塔、Z10號(hào)機(jī)組葉片折斷。造成一期兩臺(tái)箱變線圈短路燒損;二期兩臺(tái)機(jī)組輪轂進(jìn)水,控制柜內(nèi)元器件損壞;三期Z2、Z13號(hào)兩臺(tái)箱變繞組短路燒損。根據(jù)福建省氣候中心的風(fēng)速計(jì)算報(bào)告結(jié)果,在Z13號(hào)風(fēng)電機(jī)組倒塌時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)計(jì)算風(fēng)速(3秒鐘平均)達(dá)70.2米/秒,湍流強(qiáng)度達(dá)0.3以上,超出了機(jī)組可承受的極端風(fēng)速及湍流極大值;在Z10號(hào)風(fēng)電機(jī)組葉片折斷時(shí)段內(nèi)湍流強(qiáng)度高達(dá)0.3以上,入流角20°以上,湍流強(qiáng)度和入流角均大大超出機(jī)組可承受的最大湍流強(qiáng)度和最大入流角。2關(guān)于臺(tái)風(fēng)的測(cè)量我們要設(shè)計(jì)適合于臺(tái)風(fēng)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,首要任務(wù)是研究臺(tái)風(fēng),認(rèn)清它的特性,但遺憾的是,到目前為止,大家對(duì)臺(tái)風(fēng)特性的了解還不是很多,更缺少臺(tái)風(fēng)原始數(shù)據(jù)的測(cè)量。雖然建筑、橋梁上很早就開(kāi)始了對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究,也有一些測(cè)量的原始數(shù)據(jù),但由于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域所關(guān)心的一些臺(tái)風(fēng)特性與建筑、橋梁所關(guān)心的一些臺(tái)風(fēng)特性有很大的不同,因此可以借鑒的內(nèi)容不多。從目前國(guó)內(nèi)鮮有的一些對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域關(guān)心的臺(tái)風(fēng)特性研究來(lái)看,臺(tái)風(fēng)主要有如下特性。2.1臺(tái)風(fēng)的垂直方向臺(tái)風(fēng)在水平方向上一般可分為臺(tái)風(fēng)外圍、臺(tái)風(fēng)本體和臺(tái)風(fēng)中心三部分,如圖5所示。臺(tái)風(fēng)外圍是螺旋云帶,直徑通常為400~600公里,有時(shí)可達(dá)800~1000公里;臺(tái)風(fēng)本體是渦旋區(qū),也叫云墻區(qū),它由一些高大的對(duì)流云組成,其直徑一般為200公里,有時(shí)可達(dá)400公里;臺(tái)風(fēng)中心到臺(tái)風(fēng)眼區(qū),其直徑一般為10~60公里,大的超過(guò)100公里,小的不到10公里,絕大多數(shù)呈圓形,也有橢圓形或不規(guī)則的。臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)頂是流出層。在流入層,四周的空氣作反時(shí)針(在北半球)方向向內(nèi)流入,愈近中心風(fēng)速愈大,把大量水汽自臺(tái)風(fēng)外輸入臺(tái)風(fēng)內(nèi)部;中間層氣流主要是圍繞中心運(yùn)動(dòng),底層流入現(xiàn)象到達(dá)云墻區(qū)基本停止,爾后氣流環(huán)繞眼壁作螺旋式上升運(yùn)動(dòng);中間層上升氣流到達(dá)流出層時(shí)便向外擴(kuò)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(tái)風(fēng)的垂直環(huán)流區(qū)。臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)一般都是對(duì)稱的圓形,發(fā)展不成熟或受地形影響后的臺(tái)風(fēng)一般呈橢圓形。2.2陸的臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力從文獻(xiàn)[1]的統(tǒng)計(jì)來(lái)看,從1949年~2000年的50年時(shí)間里,在浙江、福建、臺(tái)灣、廣東、廣西、海南6個(gè)地區(qū)登陸的臺(tái)風(fēng)中,其中心風(fēng)力≥32m/s的達(dá)442個(gè)之多。最大風(fēng)速在數(shù)值上超過(guò)IEC標(biāo)準(zhǔn)I類的臺(tái)風(fēng)共有101個(gè),占整個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)的約23%,超過(guò)了1/5,其中甚至有達(dá)到100m/s的臺(tái)風(fēng),如5822號(hào)臺(tái)風(fēng)和5904號(hào)臺(tái)風(fēng),過(guò)程最大風(fēng)速均達(dá)到100m/s。另外,從國(guó)內(nèi)外的研究都發(fā)現(xiàn),最強(qiáng)風(fēng)均出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)運(yùn)行方向的右方區(qū)域,如圖7所示。2.3臺(tái)風(fēng)“派比安”和“珍珠場(chǎng)”風(fēng)向變化角度臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí),一般風(fēng)向會(huì)有比較大的變化,有的甚至達(dá)到180°的變化。下面是文獻(xiàn)[1]中提到的臺(tái)風(fēng)“派比安”和臺(tái)風(fēng)“珍珠”每5分鐘風(fēng)向變化角度,其中線條長(zhǎng)度為風(fēng)的大小,箭頭為風(fēng)的方向。從圖8、圖9可以看出,臺(tái)風(fēng)風(fēng)向變化不僅很大,而且有時(shí)還具有搖擺不定的特點(diǎn),即風(fēng)向不總是朝一個(gè)方向變,有時(shí)還會(huì)來(lái)一個(gè)“回馬槍”。2.4陣風(fēng)因子的確定氣象上一般用陣風(fēng)因子(陣風(fēng)系數(shù))來(lái)描述陣風(fēng)特性。陣風(fēng)因子一般定義為陣風(fēng)持續(xù)周期(一般3s)內(nèi)的平均風(fēng)速最大值與10分鐘時(shí)距的水平平均風(fēng)速之比,而IEC標(biāo)準(zhǔn)中定義的陣風(fēng)周期是10.5s(1年一遇)和14s(50年一遇)。根據(jù)一些臺(tái)風(fēng)資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),其陣風(fēng)因子甚至有達(dá)到2.0或更大的,如臺(tái)風(fēng)“圣帕”的平均陣風(fēng)因子就達(dá)2.01,但根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)中極大運(yùn)行陣風(fēng)計(jì)算公式計(jì)算得到的陣風(fēng)因子一般在1.8以下。當(dāng)然,也有一些臺(tái)風(fēng)的陣風(fēng)因子小于1.8的。下圖是日本Shionomisaki地區(qū)實(shí)測(cè)的一些臺(tái)風(fēng)陣風(fēng)因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn),風(fēng)速到50m/s時(shí)陣風(fēng)因子可能可以達(dá)到1.5。2.5臺(tái)風(fēng)的湍流特性臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí),臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度明顯高于正常風(fēng)的湍流強(qiáng)度,這是大家熟知的。關(guān)于臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度的研究有比較多的資料,特別是建筑、橋梁領(lǐng)域,從這些統(tǒng)計(jì)來(lái)看,臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度變化比較大,如福建省氣候中心對(duì)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的風(fēng)速計(jì)算報(bào)告顯示湍流強(qiáng)度達(dá)0.3,但也有非常多的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度很小的,還沒(méi)有正常風(fēng)湍流強(qiáng)度大。下圖是日本Tarama島上實(shí)測(cè)的一些臺(tái)風(fēng)的湍流強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。另外,臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度U、V、W三個(gè)方向的大小之比也與正常風(fēng)湍流強(qiáng)度不同,根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn),正常風(fēng)湍流強(qiáng)度在U、V、W三個(gè)方向的比為1:0.8:0.5,而臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度并不遵循這樣的規(guī)律,其V方向的湍流強(qiáng)度往往要比正常風(fēng)的要大,如澳門友誼大橋上測(cè)得的臺(tái)風(fēng)“鸚鵡”的V方向的湍流強(qiáng)度就達(dá)到U方向的0.96,W方向的湍流強(qiáng)度也有增大的。跟湍流強(qiáng)度大小一樣,也有非常多的臺(tái)風(fēng)3個(gè)方向的湍流強(qiáng)度之比小于正常風(fēng)湍流強(qiáng)度之比的。究其原因,可能是由臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)地方的下墊面、本身的結(jié)構(gòu)、成熟度、強(qiáng)度以及測(cè)風(fēng)設(shè)備距離臺(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)近等因素的綜合作用才導(dǎo)致湍流強(qiáng)度變化差異如此之大的。臺(tái)風(fēng)特性還有臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的風(fēng)剪切、風(fēng)傾斜角等特征,但目前這方面的資料很少,因此沒(méi)有太多的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明其變化情況,有的也只是一些模擬、經(jīng)驗(yàn)或推測(cè)。另外,臺(tái)風(fēng)受下墊面影響,其特性會(huì)隨下墊