开发沿海风电要解决“技术门槛”问题

我国有很长的海岸线，虽然台风对风能的开发造成了很大的威胁，但仍不能阻挡人们开发海上风电的热情，现在海上风力发电已经悄然兴起，海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，从而使海上风力发电技术成为最近的研究和应用热点。中国海上风能资源储量远大于陆地风能，储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW，而且距离电力负荷中心很近。如果能够得到有效开发，将对我国经济发展提供有力保障，也为节能减排的目标作出贡献。但目前海上风电开发的最大难点是风电机的稳定性和安全性没有保障，我们必须明确认识到这个“技术门槛”形成的原因，引发的后果，加大技术创新，让抗台风新型风电机早日应用，避免盲目性，循序渐进，稳步发展。

从理论上讲进口风电机组的运行风速达50~60m/s，12级飓风的平均风速是34m/s，也就是说风电机组可以在任何狂风暴雨中运行，强度还有富余。但事实却是残酷的，2003年13号台风“杜鹃”，2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场，南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。从风电机组控制系统的原理来讲，当风电机处于狂风状态时，可以自动调节风轮叶片自动卸载，使叶片与风向平行，这样叶片受到风的作用力最小，也就抵抗了风的破坏作用。但风电机在台风中损毁，说明风电机的控制技术还不稳定和可靠，并存在严重缺陷。

首先对现有风电机的控制系统进行分析，现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置。偏航装置就是控制风力发电机沿水平方向转动，使风轮始终向着来风的方向，以获取最大风能。变桨距装置就是控制桨叶沿纵轴旋转叶片，控制叶片的迎风攻角，保证风轮转速的稳定，保持功率输出的稳定。我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的，我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生的，偏航装置和变浆矩装置的响应速度是 1°/秒，若是90°就需要90秒的调整时间，在这么长的调整过程中，风轮叶片所受的风力角是完全不同的，也就是叶片所受的风载是变化的，必然造成风轮转速的不稳定，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风电机解网，造成电网的不稳定。这种控制系统的滞后性在强风暴的气候条件下，往往会造成严重的后果，在高风速情况下叶片处于顺浆位置，若风向发生90°变化，就会使叶片完全处于大面积受风的状态，使叶片受力突然增大，叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击，造成变速装置的损坏。巨大的风载也会对偏航装置造成冲击，造成偏航装置的损坏。叶片也有可能被折损坏。控制系统的滞后性也造成海上风电机更不稳定、更容易损坏。这也是沿海几个风电场风电机遭到台风损毁的一个主要原因。

控制系统的滞后性是造成风电机在台风中损毁的内因，那么存在的外因就是叶片的高风载。现有叶片是参照直升飞机的叶片进行设计制造的，具有很强的高风速特性，在高风速状态下，叶片的空气动力性能不断增强，并变的难以控制。我们通过简单的量化计算就可知道它的危害程度，我们以1.5MW风电机为例进行说明，设计风速为13m/s，产生的能量为1.5MW，可转换为152958kgf•m/s，其能量核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s，而风的能量与风速的关系是三次方的关系，那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上，这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能，但任何控制系统都存在滞后性，不可能对叶片及时完全卸载，这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的，我们设计制造的变速装置很大，强度也非常高，但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。世界最大的风力发电机组制造商NEG Micon就是因为齿轮箱问题，他为所生产的风力发电机组都换了一次齿轮箱，这家世界最大的风力发电机制造商破产了，这在其它产业是不可能发生的。

所以，现有风电机的高风载和控制系统的滞后性是造成沿海风电机在台风中损毁的根本原因。我们要解决抗台风问题，就必须解决高风载问题和控制的滞后性问题。而现有叶片的高风载是无法改变的，叶片的性能决定了高风载的特性，仅靠改进无法改变高风载特性。我们现在应该做的就是彻底改变叶片结构，彻底改变风电机的结构，只有改变叶片高风载的破坏力，才能保证风电机的稳定和安全，才能解决风电机的抗台风问题。还有控制系统的滞后性问题，将控制系统改的更灵敏是不是就可以改变滞后的问题？答案是否定的。搞风电研究的人对风向标都非常熟悉，自然界中风向的变化是很快的，风电机很庞大，不可能在短时间完成调整过程。反而言之，就是我们做到了很灵敏，偏航装置和变浆矩装置在台风中不停进行调整工作，长时间的超负荷运转，会造成控制装置的发热，发热就会导致控制装置自动停机，变桨距装置担负着叶片的卸载功能，如果停止工作，叶片就会受到强大风载的作用，并对风电机造成强烈冲击，造成风电机的损坏。如果不停机，控制装置就会发热烧毁，导致叶片控制失灵，失去卸载功能，最终仍然使风电机遭到冲击破坏。所以，现有控制系统是不能满足在台风状态进行卸载功能的。

沿海风电机在台风中损毁已给我们敲响了警钟，当时风电场的规模较小，损失也较少，现在规划在建的风电场规模是以往的几倍甚至几十倍，如果安全问题得不到解决，不但不能发展风电产业，还会对风电产业造成毁灭性打击，损失将是巨大的，所以安全问题是首先解决的头等问题。风电技术今天存在“技术门槛”，可能明天这个“技术门槛”就被突破，我们要做的就是认清存在的问题，避免盲动性，避免跟风，避免损失。