海上風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)

林 盛，羅天怡

(福清海峽發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 福清 350309)

海上風(fēng)能不僅可以節(jié)約土地資源，同時(shí)也屬于無公害能源，符合生態(tài)環(huán)保發(fā)展的理念，因此越來越被市場所接受和認(rèn)可。近年來，我國海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不僅體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能力的提高，同時(shí)還體現(xiàn)在裝備制造水平的更新升級上。本文圍繞海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)談一下自己的一些思路和看法。

1 海上風(fēng)電現(xiàn)狀及優(yōu)勢

與陸上風(fēng)力發(fā)電相比，從2016年起，我國海上風(fēng)電規(guī)劃和建設(shè)速度實(shí)現(xiàn)了明顯的加快，而未來幾年，建設(shè)數(shù)據(jù)將繼續(xù)保持，根據(jù)能源局發(fā)布的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》得知，下一階段的風(fēng)電建設(shè)目標(biāo)是：到2020年全國海上風(fēng)電開工建設(shè)達(dá)到1 000萬kW的規(guī)模，爭取累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到500萬kW以上。目前我國海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)基本上實(shí)現(xiàn)了無過渡段單樁基礎(chǔ)技術(shù)的全覆蓋，不僅大幅度降低了海上風(fēng)電工程的成本，同時(shí)也促進(jìn)了我國海上風(fēng)電行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。隨著海上風(fēng)電工程項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營，海上風(fēng)電的評價(jià)和審核速度也在不斷提升。發(fā)展勢頭良好的一個(gè)主要原因就在于海上風(fēng)電相比于陸上發(fā)電具有獨(dú)特的如下優(yōu)勢[1-3]。

1)海面上的風(fēng)況在大多數(shù)時(shí)間比陸地風(fēng)況要穩(wěn)定，而且海上的風(fēng)速隨高度的變化較小，因此可以降低塔架高度，節(jié)省了成本。

2)因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)湍流強(qiáng)度小，主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定，所以機(jī)組所承受的疲勞度低，可以相對使風(fēng)機(jī)的使用壽命延長。

3)離岸10 km的海上風(fēng)速比沿岸陸上的風(fēng)速大約高25%，在同樣發(fā)電機(jī)組的情況下，電量產(chǎn)出增加。另外由于海上環(huán)境在噪音方面不受限制，所以可以采用較高葉尖速比，這樣就可以增加發(fā)電量，降低轉(zhuǎn)矩，不僅提高了產(chǎn)能，同時(shí)也降低了由傳動(dòng)系統(tǒng)造成的成本。

4)海上風(fēng)力發(fā)電可以與波浪能、溫差能、鹽能等其他海洋能源有效結(jié)合起來，構(gòu)建海洋能源系統(tǒng)，為海洋資源的利用提供了更多的可能。

2 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分析

1)通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算分析，需要得出各部分電機(jī)的受力和變化情況，然后對電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在永磁同步發(fā)電機(jī)的質(zhì)量、尺寸等方面進(jìn)行優(yōu)化，主要技術(shù)手段一個(gè)是對軸向長度和間隙的比值進(jìn)行合理配置，另一個(gè)是在保證性能的基礎(chǔ)上將過去的設(shè)備材質(zhì)替換為更輕的材質(zhì)。同時(shí)在運(yùn)輸與安裝環(huán)節(jié)利用膜化結(jié)構(gòu)來簡化流程，提高安裝效率。

2)在實(shí)現(xiàn)高葉尖速度比的技術(shù)上，目前大多采用大型的葉片來提高能力采集的能力。葉片的型號和材質(zhì)對于發(fā)電機(jī)的整體質(zhì)量和強(qiáng)度有著至關(guān)重要的作用。一些新型的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料不斷填補(bǔ)市場的空白，比如環(huán)氧碳纖維樹脂材料，不僅滿足強(qiáng)度的要求，同時(shí)在質(zhì)量上可以比傳統(tǒng)的葉片質(zhì)量降低1/3；高性能的環(huán)氧乙烯基醋樹脂不僅可以達(dá)到環(huán)氧樹脂的性能水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更低的生產(chǎn)和安裝成本，同類降低10%。

3)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，為了防止因溫度引起的電機(jī)結(jié)構(gòu)變形，永久磁體去磁，通常選擇強(qiáng)制風(fēng)冷或是液冷的形式來降溫冷卻，但是由于風(fēng)冷過程需要極大的風(fēng)量，同時(shí)海風(fēng)中含有無機(jī)鹽等物質(zhì)，容易引發(fā)風(fēng)機(jī)設(shè)備的腐蝕，所以在冷卻技術(shù)上，采用導(dǎo)熱性能好的液體冷卻方式。冷卻液的性能與發(fā)電機(jī)的工作效率及壽命有著密切的關(guān)系，對此，環(huán)保無毒的循環(huán)冷卻液被廣泛應(yīng)用，在電導(dǎo)率控制、酸堿控制、金屬保護(hù)、氟離子消除等方面實(shí)現(xiàn)了較好的效果。

4)輸電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也隨著海上風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大而加快。星型連接的風(fēng)機(jī)可以減少變壓器的數(shù)量，但是這種技術(shù)的穩(wěn)定性比串聯(lián)型連接風(fēng)機(jī)的技術(shù)稍差，同時(shí)需要多重集電平臺(tái)來支持，因此施工的工作量會(huì)加大。目前在海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中大多采用串聯(lián)型的連接技術(shù)，在風(fēng)機(jī)連接時(shí)，對海底電纜的設(shè)計(jì)和布置同時(shí)予以考慮，盡量將變電站建設(shè)的基點(diǎn)坐標(biāo)靠近風(fēng)場的幾何中心，降低成本，提高輸電效率。

3 海上風(fēng)電機(jī)組的主要機(jī)型及其控制特點(diǎn)

1)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)型。過去，我國海上風(fēng)電機(jī)組主要向國外廠家采購，如丹麥Bonus公司的2.3 MW機(jī)組、美國GE公司的3.6 MW機(jī)組、德國Repower公司的5 MW機(jī)組。目前，我國自主研發(fā)的大型海上風(fēng)電機(jī)組也不斷問世。風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量在3 MW和6 MW之間，同時(shí)很多核心的零部件如發(fā)電機(jī)、變流器、葉片等也已經(jīng)能夠同步生產(chǎn)。其中，2.5 MW到4 MW之間的海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已經(jīng)比較成熟并得到制造生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，在5 MW到6.5 MW之間的風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)上已經(jīng)初步具備，但是仍處于試驗(yàn)階段，在大范圍應(yīng)用方面還需進(jìn)一步完善。比如，中國海裝研制的5 MW海上風(fēng)電機(jī)組，包括H128型、H151型、H171型等多種型號已經(jīng)得到應(yīng)用和推廣。

2)風(fēng)電機(jī)組的控制。風(fēng)電機(jī)組是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其控制技術(shù)的優(yōu)化主要關(guān)鍵點(diǎn)在于：一方面要追求風(fēng)能捕獲的最大化；另一方面要同時(shí)兼顧到風(fēng)能最大轉(zhuǎn)換效率與風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)負(fù)荷的平衡。海上風(fēng)電機(jī)組主要從以下兩個(gè)方面來控制：首先，對機(jī)組的每個(gè)設(shè)備都配備傳感器，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)診斷，避免局部疲勞載荷現(xiàn)象引發(fā)事故；其次，綜合考慮各種環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)變化，如低溫、風(fēng)少、臺(tái)風(fēng)、潮濕、鹽腐蝕、雷擊等因素，結(jié)合在線監(jiān)測，預(yù)先做出反應(yīng)，避免故障發(fā)生，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

4 結(jié) 語

英國能源機(jī)構(gòu)對海上風(fēng)電能源做過研究，未來12年內(nèi)，海上風(fēng)電會(huì)成為全球能源供給結(jié)構(gòu)的重要支柱。在新的能源形勢下，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和設(shè)備也將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。