風力水流發電機系統的研究

我國近海風資源十分豐富，初步估算我國海上風資源為7.5億kW^[1]，為陸地風力資源的3倍。與陸上風電場相比，海上風電場具有節省土地資源、風速高而且持續，沒有復雜地形對于氣流的影響,對周圍環境影響小等優點。因此，是當前國際風電發展的一個重要方向。海水的大規模流動含有巨大的能量，據估計，全球海流能高達5×10⁶MW,我國可開發的海流能約為3×10⁴MW。因此，發展風力海流發電機對于保證我國社會、經濟健康持續發展，具有重要戰略意義。

2 中國沿海風場、流場分布

2.1 風場分布

冬季東亞地區受蒙古冷高壓和阿留申低壓的控制，冷空氣活動頻繁，中國近海盛行偏北風，風速較大；夏季受西太平洋副熱帶高壓和西南季風以及熱帶氣旋的影響，盛行偏南風，風速較小。

如圖1所示，東南沿海是我國最大風能資源區，浙江中部至廣東東部近海海域年平均風速達8m/s以上，臺灣海峽中部達9m/s以上。30ºN以北江蘇近海和渤海西部6.5m/s-7.5m/s，渤海海峽到成山角7m/s -8m/s。廣東西部近海6.5 m/s-7.5m/s，海南島西部6.0 m/s-7.5m/s，廣西近海6.0 m/s-7.0m/s 。

圖1 中國沿海年平均有效風速圖

不同風速風資源在海上風力機項目中的利用情況^[2]見表1。

表1 不同風速風資源在海上風力機項目中的利用情況

2.2 流場分布

中國近海海域的海流可分為兩大系統：① 外來的黑潮暖流；② 海域內生成的沿岸流和季風漂流。

渤海沿岸以不正規半日潮和正規半日潮為主，遼東灣、渤海灣、萊州灣為不正規半日潮；龍口至蓬萊一帶屬正規半日潮，秦皇島以東和神仙溝附近屬正規全日潮，黃河口兩側為不正規全日潮（見圖2）。

黃海沿岸基本上屬于正規半日潮，威海至成山頭和靖海角、連云港外為不正規半日潮。

東海大陸沿岸除寧波至舟山之間海域為不正規半日潮外，其余為正規半日潮。臺灣西岸從基隆至布袋為正規半日潮。其余為不正規半日潮。

圖2 黃海、渤海及東海冬、夏季流系示意圖

南海海域的海流較為復雜。過去認為，從表層至200 m深處的上層水體都在季風的制約下流動，夏季東北漂流，冬季西南漂流。后來發現，在廣東外海冬季期間，海流由東北流向西南并非總體都是如此，在較深的水深處，有一狹窄的逆風向海流，且流速較大（見圖3）。

圖3 南海海域冬、夏季風漂流圖

3 風速發電模型及風力載荷

3.1 風速模型

由于風速的易變性和不可控性，幾乎時刻都有較大的擾動，因此有必要建立相關的風速模型，從而能夠對風速的變化進行模擬，研究在一定風速條件下系統的性能。

為了比較準確的描述風的隨機性，可以將風速分解為4種分量，即基本風、陣風、漸變風和隨機風^[3]，用公式表示為：

式中：V_WB是基本風；V_WG是陣風；V_WR是斜坡分量；V_WN是背景噪聲，單位為m/s。

各種風速模型定義如下：

（1）基本風

風電機組正常運行時，通常處于某一功率水平下，原則上可認為有一基本風速V_WB與之對應?；撅L速V_WB可由風電場測風所得到的Welbull分布參數近似確定^[4]，由下式表示

式中：V_WB為基本風速，m／s；A為Welbull分布的尺度參數；K為Welbull分布的形狀參數；為伽馬函數。

（2）陣風

為了反映風速的突然變化特性，可在基本風上疊加一陣風分量V_WG，由下式表示

式中：V_WG為陣風風速，m/s；T_G為周期，s；T_1G為陣風啟動時間，s；(V_WG) max為陣風最大值，m／s。

（3）漸變風

為了反映風速的漸變特性，可在基本風上疊加一斜坡分量V_WR , 由下式表示

式中:V_WN為隨機風風速，m／s；φ_i為0~2π之間均勻分布的隨機變量；K_N為地面粗糙系數；F為擾動范圍，m²；μ為相對高度的平均風速，m／s；N為頻譜取樣點數；ω_i為各個頻率段的頻率。

3.2 風力機受力模型

設v為風力機葉片前方處的風速，A為風輪旋轉面積，R為風輪半徑，ρ為空氣密度。根據空氣動力學原理，風力機獲取的風能為：

式中C_p為與氣動性能相關的風能利用系數，通常用單位時間內風輪所吸收的風能與通過風輪旋轉面的全部風能之比來表示。

根據式式（5）可以得到葉片吸收風能后產生的轉矩為

式中Ω為風輪轉動的角速度。

風輪機不能把通過其旋轉面的風功率全部吸收, 以至于風輪機后方的空氣速度不能降為零。通過風吹過葉片形成葉片正反面的壓差, 這種壓差會產生升力, 使風輪機旋轉并不斷橫切風流^[5]。風輪機周圍的沖量如圖4所示, V₁，V₁，P_m1，P_m2分別是經過風輪機前、后的風速和壓強, P₀是大氣壓強。由伯努利定律可得：

圖4 風輪機周圍的沖量

作用在風輪機上的升力 F 如式 (2—10) 所示

4 波浪力

Morison方程假定作用在樁柱上的總波浪力f由兩個部分組成^[6]：① 流過樁柱的流體，由于物體存在而引起流體運動的加速度或減速所產生的力，稱為慣性力f₁；② 當流體流過樁柱時由于粘性作用在柱壁產生的阻力，因為它的大小與流速大小有關，稱為速度力f_D，也稱為托拽力。

圖5 波浪力計算簡圖

慣性力f₁數值上等于這個體積的水體質量乘以它的加速度。由于在流場中，這個體積的水體中各點的加速度均不同，可以采用沿樁柱軸線上各點的加速度來代表各相應深度處樁柱截面內各點的加速度。此外，除了被樁柱所占體積的那部分水體外，在樁柱附近還有一部分水體也被加速或減速，因此，真正作用在樁柱上的作用力尚應乘以一個系數。

式中：C_m稱為質量系數或慣性系數；u為水質點的速度; 為z點處水質點的加速度。

托拽力f_D與質點速度的平方和物體與質點速度垂直方向的投影面積成正比。由于波動流是雙向往復的，因此速度的平方應改為速度向量與速度絕對值的乘積。

式中：C_d幾為速度力系數，與樁柱形狀及柱壁摩阻力有關。

作用在單位高度樁柱上總的作用力f為：

5 洋流發電機

研究與試驗表明，目前可以相對高效利用海流發電的水輪機有兩種：“螺旋狀”式水輪機和“中心開敞”式水輪機。這兩項技術都可以在水下某一固定區域放置多臺水輪機及與之相連的發電機。這里只介紹

“螺旋狀”式水輪機工作原理。水輪機轉輪俯視草圖見圖6。

圖6 水輪機轉輪俯視草圖

“螺旋狀”式水輪機專用于在低水頭、高水流條件下工作。水輪機由一個或多個長葉片組成，這些葉片就像螺旋線纏繞成一個圓筒狀。對于來自任何一個方向的水流，螺旋狀水輪機葉片都產生一個與葉片前緣垂直的推動力。水輪機的軸帶動與之連接的發電機旋轉，從而產生電能。

密歇根大學流體動力學實驗室曾經進行過實驗研究，直徑1016mm、高838.2mm的三螺旋可反轉式水輪機，在流速為0.6m/s~2.4m/s時發電的效率可達35%。實驗表明，螺旋式水輪機開始發電的流速約為0.6m/s，流速增加，發電量增加。水流速為1.5m/s時，水輪機產生的電力為500W，水流速在2.4m/s時，產生電力達2000W。

6 海上風力機安全性研究

海上風力機運行環境比較惡劣，高鹽霧、多腐蝕、浪載大，使得風電機組非常容易受到損壞^[7]。

6.1 鹽霧帶來的主要危害

（1）鹽霧與空氣中的其他顆粒物在葉片靜電作用下，在葉片表面形成覆蓋層，嚴重影響葉片氣動性能，產生噪聲，影響美觀。

（2）破壞設備強度，降低風力機組承受的最大載荷，影響設備運行安全性。

6.2 臺風影響

臺風對我國東南沿海影響廣泛，每年皆受到（1~3）次臺風影響，頻次很高。

（1）臺風風力帶來的破壞

面向臺風登陸前進方向的桿塔，因受到超過設計風速的強臺風襲擊，造成倒桿、折彎，引起線路跳閘；

（2）臺風帶來的強降雨破壞

雨水沖刷線路桿塔基礎，引起塔桿傾斜甚至倒塌，嚴重威脅系統安全，有時甚至造成大面積停電，給電網帶來巨大損失。

6.3 安全性設計

6.3.1 機械部件裕度設計

所謂裕度設計，就是針對重要機械零部件，設定較大的安全系數。風力機在運行中受到的載荷是不斷變化的，在一定裕度下，則可以使風力機免受損害。 但裕度過大將會使風力機成本過高。裕度設計主要針對風力機中比較重要、受載荷較多較復雜的部件，例如主軸、輪轂、塔筒等。

6.3.2 防松設計

（1）對于承受多變載荷的高強度螺栓，為了提高在多變載荷作用下的螺栓疲勞強度，要求被連接件夾緊厚度至少大于5倍螺栓公稱直徑。

（2）優先采用螺栓螺母連接的連接方式，盡量避免采用螺栓和內螺紋的連接形式。

（3）緊固螺栓應從設計上確保不受剪力，可能受剪的重要連接處應采用螺栓加銷或鉸制孔螺栓等措施。

（4）受力重要螺栓連接應不少于兩道防松，且其中至少有一道是除了彈墊、緊固力矩之外的機械防松。涂膠、彈墊均不能作為可靠地防松措施而采用。

（5）原則上不允許將緊固件設計成從下往上緊固。

6.3.3 防銹

在國內，解決這一問題的方法一般分兩種：① 使用普通的防銹漆，其性能并不適應于侵蝕性強的野外環境下螺栓的保護，需要經常維護，不能從根本上解決防腐蝕問題；② 使用價格昂貴的不銹鋼螺栓。在國外，大多數使用高質高效的螺栓防護蓋。

此外，國外海上風力機緊固件防銹的經驗表明，海上風力機螺栓連接10.9級與10.9級以下應采用不同的防銹措施，在保證可靠度的同時，還能盡可能的降低成本。

7 結語

盡管海上發電機的基礎成本很高， 但是由于海上風電的特殊需求，風能工業將繼續高速發展。用IEA標準方法預測，海上發電成本是：0.42元/kWh。 考慮到未來能源和環境保護等問題，與火電相比，海上風電、水流電已經具備了一定的競爭力。我國海上風能儲量豐富，并且是世界上海流能資源密度最高的國家之一，所以海上風力、水流發電將是我國發電產業發展的新領域，是“方向中的方向”。

參考文獻

[1]劉根東.全球海上風電發展狀況[J].風力發電，2003(4).

[2]朱濤.美國加州Tehachapi的風力發電[J].科技情報開發與經濟，2006，16 (17)：165-166.

[3]李東東.風力發電系統動態仿真的風速模型[J].中國電機工程學報，2005，25 (21)：41-44.

[4]陜華平.大型風電場的風資源評估[J].華東電力，2006，34(2)：17-18.

[5]賀益康，鄭康.交流勵磁變速恒頻風電系統運行研究[J].電力系統自動化，2004，28(13)：55-59.

[6]VELDKAMP H F, TEMPEL J. Influence of wave mode-ling on the prediction of fatigue for off- shore wind turbines [J]. Wind Energy, 2005, 8：49-65.

[7]李靜，孫亞勝.海上風力發電機組的基礎形式[J].上海電力，2008，（5）:314-317.■