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“麦莎”袭击后的启示:热带风暴是风力发电机可靠性的检验员

供稿人:ISTIS  供稿时间:2005-8-15   关键字:风力发电机  台风  
今年第9号强热带风暴“麦莎”,它的最大风力在十二级以上,给江浙沪三地带来了不小的冲击。尽管各级单位早有准备、严阵以待,然而这样的灾害性天气所带来的经济损失仍不下数十亿。如果风力发电机处于这样的恶劣环境中,无疑将经受一次实实在在的考验。
 
回顾以往台风给风力发电设备带来的影响,可以发现,2003年的第13号台风“杜鹃”严重影响了我国南部地区风电场的正常工作,25台风力机中13台因受损而不能投入运营,主要损坏部件是叶片(10台风力机的叶片有通透性裂纹或被撕裂等)、风向仪(6台被吹毁或掉落)、尾翼(2台尾翼被吹掉、2台尾翼杆被吹断)、偏航系统(3台受损)[1~3];同时期的“蝉鸣”(Maemi)台风过境日本、台湾省等地区,最大风速曾达到74.1m/s,令日本Miyako风电场引进的Vestas、Enercon、NEG-Micon共7台风力机全部严重受损。
 
“蝉鸣”过后,三菱重工着手设计了智能偏航控制装置,用以降低强风所增加的机组负荷。该装置利用了风力机在下风方向采取风能的主要特征,降低上风方向的负载,获得保持风力机抵御强风的合适方向,并使作用于叶轮上的风能直接驱动偏航控制装置,因此在电源失效的时候仍能工作。目前已申请相关专利。智能偏航控制装置的应用使强风时的叶片负载降低25%,塔架负载降低30%,从而减少叶片和塔架的重力15%,提升风力机的可靠性[4]
 
目前日本三菱重工的风力机已经具备相当的抗台风能力。当2004年7月和8月的Chaba和Songda台风直击Setocho、Ehime风电场,采用智能偏航控制装置的MWT-1000A风力机抵御了70m/s(测量值)的极限风速[5];大型风力机MWT92/2.4也已投入欧美国家风电场的运行,其叶轮长92m,输出功率为2.4MW,可以抵抗台风级风力,可抵御70m/s的风速[6]
 
现代风力机的设计,都已考虑到抗大风的能力,一般根据II类风速区设计的极限风速为70m/s(3秒钟平均值),而叶片在面临台风过境等复杂风况时受损,说明了叶片的设计或制造工艺上仍存在问题。台风对风力机叶片的损伤多发生于变桨距机组停机或紧急停机之时,可能由于叶片扭转刚度不够;也可能是叶片发生了“扭谐振”,应针对叶片局部构造设计、材质、部件粘结方式以及生产工艺的改进,如主梁与翼壳之间的粘结强度不够、叶片后翼连接能否加设铆固装置、叶片空腔率是否太高等[1,2]
 
国内有专家提出,台风来临,尽可能使机组处于“暂停状态”,或使用“备用电源”,达到风力机的最佳控制状态,但前一方案对电站运营的经济性不利,属两害相权取其轻;后一方案的开发应用还未得到落实。我国的相关研究也仅局限于200W浓缩风能型风力发电机抗台风塔架的设计、风力机在恶劣环境下的可靠性研究方法等方面,专利方面仅1篇,且公开时间距本稿递交时间为9天,与日本等国家的研究进展相比还存在不小的提升空间。
 
为了进一步了解风力机抗强/台风可靠性研究及其应用,笔者采用“(typhoon or hurricane or cyclone)/ABST and (wind and turbine?)/TI”的检索策略在中国国家知识产权局网站和Derwent WPI 1963-2005数据库内检索,获得密切相关专利5篇,现将它们的具体情况作以下介绍:
 
1. 专利名:一种能抗台风的风力发电机
公开号:CN1648445          公开日:2005.08.03
申请号:200410002159.3     申请日:2004.01.07  
申请人:徐新乔(江苏省靖江市迎宾西路)
摘要:本发明涉及到一种可再生能源的产生装置,特别是涉及到一种能抗台风的风力发电机。本发明的目的是这样实现的,在风车的支承框架上设置若干根能够旋转的轴,并在轴的上端设置有发条弹簧和小型风车,在风力大时,风力吹动小型风车旋转,而使轴子转动收缩绕在轴上的风帆,从而达到降低风力推动风车的推力,加强风力发电机抗台风的能力。
 
2. 专利名:一种风力发电机
公开号:WO03102413          公开日:2003.12.11
申请号:WO2003KR985        申请日:2003.05.16      
申请人:JOO JANG-SIK (KR)
同族专利:KR2003092768A、AU2003235262A1、KR467061B
摘要:涉及一种风力发电机,具有旋转式降摩擦机构和安全机构,降摩擦机构置于风力机转轴下方,可在支撑转轴并降低风轮旋转过程中的摩擦阻力,安全装置装在叶片上防止风力机超速运行。发电机依靠旋转力产生动力。该机组的优点在于能抵抗台风、暴风雪等大风环境,并能在普通风速的环境中达到最高的发电运行效率。
 
3. 专利名:叶片前/后移动距离可调的风力机组叶轮
公开号:JP2003239846        公开日:2003.08.27
申请号:JP200237309        申请日:2002.02.14 
申请人:FJC KK; SUZUKI MASAHIKO
摘要:一种风力机组叶轮,其特征在于叶轮具有推进力和撤后力接收部件,推进力和撤后力接收部件由外力接收部件构成,叶轮通过外力接收部件所接收的外力使叶轮旋转,在风速超过预设的范围的情况下,风力发电机叶轮旋转速度的降低和调整,是通过移动叶片相对主轴的位置来实现,从而可以确保叶轮的转速在预设的范围之内,抵御台风等大风来袭。
 
4. 专利名:风力发电机
公开号:CA2067872A          公开日:1993.09.03
申请号:CA2067872          申请日:1992.05.01
申请人:BELDEN RALPH A (AU)
同族专利:US5295793、CA2067872C、PH1199447810B1
摘要:一种风力发电机,具有一个旋转头,安装于风力机的支撑结构上端,可以竖直轴转动;具有一个叶轮装置,与旋转头相连以水平轴转动;水平轴偏斜置于竖直轴的下风口处。叶轮装置具有一个叶轮转轴绕叶轮轴向旋转,置于水平轴向;具有一些与轮轴相连,外部发向方向的叶片,叶片与其旋转平面成0到5度的倾角。该风力机可以在快速变化风速时正常运行,在低风速时维持高效运行,在较大的风速范围内提供恒定的输出功率,防止在飓风等天气状况下的叶轮超速运行。
 
5. 专利名:飓风风力发电机
公开号:WO200042319A1       公开日:2000.07.20
申请号:WO98GB3682         申请日:1999.01.11
申请人:PIKE ANDREW THOMAS (GB)
同族专利:AU9918840
摘要:一种使用最佳角度的叶片捕获高速风能(如飓风等)的风力发电系统,其中叶片的角度轻微偏移至91度,叶尖11米,叶底10米,叶片与内部的电机相连,所有的部件都是通过电线及其中的电流与电机连通,它们的外壳由拉拔性能较佳的铸铁构成。该系统可以利用飓风、龙卷风等灾害性气候所具有的能源,制造有价值的电力。
 
参考文献
1.标题:风力发电机组的抗台风设计
出处:风力发电 2005,(3) 32-36
2.标题:台风“杜鹃”的危害与思考
出处:风力发电 2005,(3) 12-19
3.标题:风力机在恶劣环境下的可靠性研究方法
出处:风力发电 2005,(3) 20-24
4.标题:High performance MW class Wind turbine for Asian Region
出处:http://www.mhi.co.jp/power/e_power/topics/2004/nov_09a.pdf
5.标题:Development of Next Generation 2MW Class Large Wind Turbines
出处:http://www.mhi.co.jp/power/e_power/product/nature/wind_pdf/
vol41_no5.pdf
6.标题:MHI has Big Plans for Yokohama Wind Power
 

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