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传统风力涡轮机可以应对飓风速度的风吗?

日期:2023-05-09    来源:国际能源网

国际风力发电网

2023
05/09
11:29
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关键词: 风电项目 风电技术 风电叶片

世界上最大的风暴,能将海洋掀起狂潮,或将陆地上的建筑物夷为平地,长期以来一直让风电场开发商望而却步。但现在这种情况正在发生改变。

风电开发商越来越多地采用能抵御强热带风暴的风机。最新的例子之一是“抗台风”浮动风力涡轮机,它为中国的一个海上石油平台提供电力。

据制造商明阳风电称,这台 7.25 兆瓦 (MW) 的涡轮机可以在高达 134mph 的风速下持续运转10 分钟,它已安装在距离海南岛海岸 136 公里的设施中。

此前在2021 年,美国通用电气公司的大型 Halide-X 涡轮机获得了能抵御台风的认证,该容量高达13MW的风机是固定式安装,而不是浮动的。

虽然涡轮叶片等部件非常坚固,但它们并非坚不可摧。大自然的力量,尤其是在海上,是出了名的不可预测,这意味着风力涡轮机需要准备好应对飓风的准备。

热带气旋——通常称为台风或飓风,是世界某些地区常见的威胁,包括墨西哥湾或东南亚大部分海洋地区。

这样的风暴可以产生超过 100 英里/小时的风速,有记录以来最强的持续风速为 215 英里/小时,由 2015 年东太平洋飓风帕特利夏造成。

从国际空间站看到飓风帕特利夏。 飓风于 2015 年 10 月 23 日登陆墨西哥太平洋沿岸。

飓风帕特利夏在 2015 年以 215 英里/小时的风速打破了记录 图片来源,美国宇航局

尽管这些地区面临严峻的气象挑战,但预计在未来几年几十年内,这些地区的风电发电装机将进一步增加。

现在的风力涡轮机已经可以承受一些强大的大风。杜伦大学的 Simon Hogg 指出,位于英国东北海岸外海上风机通常能够应对高达 50 英里/小时左右的风速。

丹麦技术大学的 Leon Mishnaevsky 表示,现在的风力涡轮机叶片性能通常非常可靠,它们由坚固而轻便的碳纤维复合材料制成,自动化制造工艺有助于确保纤维的均匀分布,这将极大地提高叶片的坚固性。

此外,风力涡轮机制造商还会对叶片进行一系列压力测试,以确保它们符合要求。

这些测试包括将大型“激励器”连接到叶片上,叶片上下弹跳,模拟风对叶片结构的反复应力。杜伦大学的Hogg教授说,巨型叶片有时也会弯曲到断裂点,这有助于确定它们可以承受的最大载荷。

但随着时间的推移,风电涡轮机的易错性变得越来越明显,尤其是大型的风电涡轮机。专业投保可再生能源业务的保险公司 GCube 在最近的一份报告中指出,海上风力保险业务的损失从 2012 年的 100 万英镑增加到 2021 年超过 700 万英镑。此外,该公司还表示,容量超过 8MW 的机器可能会在安装后短短两年内出现组件故障,风险概率是 4-8MW 设备的两倍之多。

导致涡轮叶片出现故障的一些最危险的力量是扭矩或扭转载荷,一家专门诊断和维修叶片长度 60 米以上风电涡轮叶片的公司的研究人员称,反复扭转叶片会导致难以发现的断裂,他说,“从外面看不到损坏,而且,刀片越长,风险就越大。“,该研究员称,目前的测试和行业标准不足以证明大型涡轮叶片能够承受这些压力。

不过,新设计可能会有所改善。日本从事风力涡轮机研究设计的企业Challenergy 一直在研究一种新型涡轮机,该涡轮机具有围绕中轴旋转的高大垂直叶片,旨在应对各种台风天气。

Challenergy 的产品虽然比目前运行的常见的三叶片涡轮机尺寸小得多,功率也小得多,但它能应对非常强的台风。

去年 8 月,当一场名为 Hin Nam No 的强台风袭击菲律宾和日本时,它穿过该公司的两台涡轮机。其中一台位于冲绳石垣市的风力机组,记录到的风速约为每小时 64 英里。据 Challenergy 公司称,该涡轮机继续运行,没有任何问题。

美国科罗拉多大学设计的柔性叶片涡轮机

美国科罗拉多大学一个研究小组从大自然中汲取了灵感,设计了一种替代的抗飓风涡轮机。

“我们的灵感来自于棕榈树,”科罗拉多大学博尔德分校的 教授Lucy Pao 解释说。“在大风中,它们有点随波逐流,随风弯曲。”

她和她的同事设计了一个带有柔性叶片的双叶片风力涡轮机原型。此外,转子朝着下风向而不是迎风,这在传统配置中很常见,有助于化解强风的影响。

”在科罗拉多州陆上测试期间,观察到叶片尖端旋扭高达 600 毫米,超过半米时它们都没有折断,”Lucy Pao教授说。她补充说,冬季该地区的风速可达每小时 100 英里。

然而,Lucy Pao教授解释说,风电行业几乎都采用逆风三叶片设计,因此很难推销这种新概念。目前,她在这一领域的研究处于暂停状态,等待进一步的资金。


科罗拉多大学博尔德分校的 Lucy Pao

科罗拉多大学博尔德分校的 Lucy Pao 表示,风电行业通常采用三叶片涡轮机。她和其他观察家一样担心,他们质疑传统风力涡轮机是否真的能很好应对一些最强台风。

“新材料,它们确实更坚固,但不知道它们是否已经过尽可能完整的测试,”她说。

在风力特别多变的地方安装涡轮机面临棘手经济学考量,一家在墨西哥湾投资风电项目的公司Gulf Wind Technology 的首席执行官称,在该地区,一年中大部分时间风速都很低 ,但偶尔会有飓风席卷而来。

该人士指出:“如果设计的电力涡轮机叶片足够坚固足以承受强风,那么将在弱风期承担大量额外成本。”

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