风力水流发电机系统的研究

我国近海风资源十分丰富，初步估算我国海上风资源为7.5亿kW^[1]，为陆地风力资源的3倍。与陆上风电场相比，海上风电场具有节省土地资源、风速高而且持续，没有复杂地形对于气流的影响,对周围环境影响小等优点。因此，是当前国际风电发展的一个重要方向。海水的大规模流动含有巨大的能量，据估计，全球海流能高达5×10⁶MW,我国可开发的海流能约为3×10⁴MW。因此，发展风力海流发电机对于保证我国社会、经济健康持续发展，具有重要战略意义。

2  中国沿海风场、流场分布

2.1 风场分布

冬季东亚地区受蒙古冷高压和阿留申低压的控制，冷空气活动频繁，中国近海盛行偏北风，风速较大；夏季受西太平洋副热带高压和西南季风以及热带气旋的影响，盛行偏南风，风速较小。

 如图1所示，东南沿海是我国最大风能资源区，浙江中部至广东东部近海海域年平均风速达8m/s以上，台湾海峡中部达9m/s以上。30ºN以北江苏近海和渤海西部6.5m/s-7.5m/s，渤海海峡到成山角7m/s -8m/s。广东西部近海6.5 m/s-7.5m/s，海南岛西部6.0 m/s-7.5m/s，广西近海6.0 m/s-7.0m/s 。

          图1  中国沿海年平均有效风速图

  不同风速风资源在海上风力机项目中的利用情况^[2]见表1。

表1 不同风速风资源在海上风力机项目中的利用情况

2.2  流场分布

 中国近海海域的海流可分为两大系统：① 外来的黑潮暖流；② 海域内生成的沿岸流和季风漂流。

渤海沿岸以不正规半日潮和正规半日潮为主，辽东湾、渤海湾、莱州湾为不正规半日潮；龙口至蓬莱一带属正规半日潮，秦皇岛以东和神仙沟附近属正规全日潮，黄河口两侧为不正规全日潮（见图2）。

黄海沿岸基本上属于正规半日潮，威海至成山头和靖海角、连云港外为不正规半日潮。 

 东海大陆沿岸除宁波至舟山之间海域为不正规半日潮外，其余为正规半日潮。台湾西岸从基隆至布袋为正规半日潮。其余为不正规半日潮。

        图2  黄海、渤海及东海冬、夏季流系示意图 

南海海域的海流较为复杂。过去认为，从表层至200 m深处的上层水体都在季风的制约下流动，夏季东北漂流，冬季西南漂流。后来发现，在广东外海冬季期间，海流由东北流向西南并非总体都是如此，在较深的水深处，有一狭窄的逆风向海流，且流速较大（见图3）。

        图3 南海海域冬、夏季风漂流图

3  风速发电模型及风力载荷

3.1  风速模型

 由于风速的易变性和不可控性，几乎时刻都有较大的扰动，因此有必要建立相关的风速模型，从而能够对风速的变化进行模拟，研究在一定风速条件下系统的性能。

    为了比较准确的描述风的随机性，可以将风速分解为4种分量，即基本风、阵风、渐变风和随机风^[3]，用公式表示为：

式中：V_WB是基本风；V_WG是阵风；V_WR是斜坡分量；V_WN是背景噪声，单位为m/s。

各种风速模型定义如下：

（1）基本风

 风电机组正常运行时，通常处于某一功率水平下，原则上可认为有一基本风速V_WB与之对应。基本风速V_WB可由风电场测风所得到的Welbull分布参数近似确定^[4]，由下式表示

式中：V_WB为基本风速，m／s；A为Welbull分布的尺度参数；K为Welbull分布的形状参数；Ґ为伽马函数。

（2）阵风

为了反映风速的突然变化特性，可在基本风上叠加一阵风分量V_WG，由下式表示

式中：V_WG为阵风风速，m/s；T_G为周期，s；T_1G为阵风启动时间，s；(V_WG) max为阵风最大值，m／s。

（3）渐变风

为了反映风速的渐变特性，可在基本风上叠加一斜坡分量V_WR , 由下式表示

式中:V_WN为随机风风速，m／s；φ_i为0~2π之间均匀分布的随机变量；K_N为地面粗糙系数；F为扰动范围，m²；μ为相对高度的平均风速，m／s；N为频谱取样点数；ω_i为各个频率段的频率。

3.2  风力机受力模型

 设v为风力机叶片前方处的风速，A为风轮旋转面积，R为风轮半径，ρ为空气密度。根据空气动力学原理，风力机获取的风能为：

式中C_p为与气动性能相关的风能利用系数，通常用单位时间内风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能之比来表示。

根据式式（5）可以得到叶片吸收风能后产生的转矩为

式中Ω为风轮转动的角速度。

风轮机不能把通过其旋转面的风功率全部吸收, 以至于风轮机后方的空气速度不能降为零。通过风吹过叶片形成叶片正反面的压差, 这种压差会产生升力, 使风轮机旋转并不断横切风流^[5]。风轮机周围的冲量如图4所示, V₁，V₁，P_m1，P_m2分别是经过风轮机前、后的风速和压强, P₀是大气压强。由伯努利定律可得：

                图4  风轮机周围的冲量

作用在风轮机上的升力 F 如式 (2—10) 所示

4  波浪力

Morison方程假定作用在桩柱上的总波浪力f由两个部分组成^[6]：① 流过桩柱的流体，由于物体存在而引起流体运动的加速度或减速所产生的力，称为惯性力f₁；② 当流体流过桩柱时由于粘性作用在柱壁产生的阻力，因为它的大小与流速大小有关，称为速度力f_D，也称为托拽力。

               图5  波浪力计算简图

惯性力f₁数值上等于这个体积的水体质量乘以它的加速度。由于在流场中，这个体积的水体中各点的加速度均不同，可以采用沿桩柱轴线上各点的加速度来代表各相应深度处桩柱截面内各点的加速度。此外，除了被桩柱所占体积的那部分水体外，在桩柱附近还有一部分水体也被加速或减速，因此，真正作用在桩柱上的作用力尚应乘以一个系数。

式中：C_m称为质量系数或惯性系数；u为水质点的速度; 为z点处水质点的加速度。

托拽力f_D与质点速度的平方和物体与质点速度垂直方向的投影面积成正比。由于波动流是双向往复的，因此速度的平方应改为速度向量与速度绝对值的乘积。

  式中：C_d几为速度力系数，与桩柱形状及柱壁摩阻力有关。

  作用在单位高度桩柱上总的作用力f为：

5  洋流发电机

 研究与试验表明，目前可以相对高效利用海流发电的水轮机有两种：“螺旋状”式水轮机和“中心开敞”式水轮机。这两项技术都可以在水下某一固定区域放置多台水轮机及与之相连的发电机。这里只介绍

“螺旋状”式水轮机工作原理。水轮机转轮俯视草图见图6。

               图6  水轮机转轮俯视草图

“螺旋状”式水轮机专用于在低水头、高水流条件下工作。水轮机由一个或多个长叶片组成，这些叶片就像螺旋线缠绕成一个圆筒状。对于来自任何一个方向的水流，螺旋状水轮机叶片都产生一个与叶片前缘垂直的推动力。水轮机的轴带动与之连接的发电机旋转，从而产生电能。

 密歇根大学流体动力学实验室曾经进行过实验研究，直径1016mm、高838.2mm的三螺旋可反转式水轮机，在流速为0.6m/s~2.4m/s时发电的效率可达35%。实验表明，螺旋式水轮机开始发电的流速约为0.6m/s，流速增加，发电量增加。水流速为1.5m/s时，水轮机产生的电力为500W，水流速在2.4m/s时，产生电力达2000W。

6 海上风力机安全性研究

海上风力机运行环境比较恶劣，高盐雾、多腐蚀、浪载大，使得风电机组非常容易受到损坏^[7]。

6.1 盐雾带来的主要危害

（1）盐雾与空气中的其他颗粒物在叶片静电作用下，在叶片表面形成覆盖层，严重影响叶片气动性能，产生噪声，影响美观。

（2）破坏设备强度，降低风力机组承受的最大载荷，影响设备运行安全性。

6.2  台风影响

台风对我国东南沿海影响广泛，每年皆受到（1~3）次台风影响，频次很高。

（1）台风风力带来的破坏 

面向台风登陆前进方向的杆塔，因受到超过设计风速的强台风袭击，造成倒杆、折弯，引起线路跳闸；

（2）台风带来的强降雨破坏 

雨水冲刷线路杆塔基础，引起塔杆倾斜甚至倒塌，严重威胁系统安全，有时甚至造成大面积停电，给电网带来巨大损失。

6.3  安全性设计

6.3.1 机械部件裕度设计

所谓裕度设计，就是针对重要机械零部件，设定较大的安全系数。风力机在运行中受到的载荷是不断变化的，在一定裕度下，则可以使风力机免受损害。 但裕度过大将会使风力机成本过高。裕度设计主要针对风力机中比较重要、受载荷较多较复杂的部件，例如主轴、轮毂、塔筒等。

6.3.2 防松设计

（1）对于承受多变载荷的高强度螺栓，为了提高在多变载荷作用下的螺栓疲劳强度，要求被连接件夹紧厚度至少大于5倍螺栓公称直径。

（2）优先采用螺栓螺母连接的连接方式，尽量避免采用螺栓和内螺纹的连接形式。

（3）紧固螺栓应从设计上确保不受剪力，可能受剪的重要连接处应采用螺栓加销或铰制孔螺栓等措施。

（4）受力重要螺栓连接应不少于两道防松，且其中至少有一道是除了弹垫、紧固力矩之外的机械防松。涂胶、弹垫均不能作为可靠地防松措施而采用。

（5）原则上不允许将紧固件设计成从下往上紧固。

6.3.3 防锈

在国内，解决这一问题的方法一般分两种：① 使用普通的防锈漆，其性能并不适应于侵蚀性强的野外环境下螺栓的保护，需要经常维护，不能从根本上解决防腐蚀问题；② 使用价格昂贵的不锈钢螺栓。在国外，大多数使用高质高效的螺栓防护盖。

    此外，国外海上风力机紧固件防锈的经验表明，海上风力机螺栓连接10.9级与10.9级以下应采用不同的防锈措施，在保证可靠度的同时，还能尽可能的降低成本。

7  结语

尽管海上发电机的基础成本很高， 但是由于海上风电的特殊需求，风能工业将继续高速发展。用IEA标准方法预测，海上发电成本是：0.42元/kWh。 考虑到未来能源和环境保护等问题，与火电相比，海上风电、水流电已经具备了一定的竞争力。我国海上风能储量丰富，并且是世界上海流能资源密度最高的国家之一，所以海上风力、水流发电将是我国发电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。

参考文献

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