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复杂地形的风究竟啥性情?!
发布时间:2017-04-22        浏览次数:568        返回列表

  书上说风能是一种取之不尽的清洁能源,可现实是容易开发的区域越来越少,勇敢的开发者只好向地形复杂的山地区域进军,而这些区域地形起伏大、变化多,风能资源分布不均匀,且气候条件比较复杂、植被繁多,风况变化多端,使得风机的应用环境变得格外复杂。

  简单地说,复杂地形的风况因地形而生。

  我们改变不了地形,我们必须认识和掌握这类地形的风。唯有这样,我们才能知道风机在运行过程中会遇到的问题,不能因为风耍个性坏了风机的发电性能和性命。

  那好问题来了,破坏风机的复杂地形的风究竟是什么性情?!

  先来说风机在复杂多变风况中遇到的问题。复杂的山地,地势起伏,风机只能部署在山脊上,而大部分情况下主风向垂直于山脊,这就造成了山地风况与平地风况的区别。

  如下图所示,由于地面摩擦力的影响,风速在竖直方向上的分布一般呈对数分布,但在中性大气条件下遇到陡坡后,风速的分布就不再遵守对数分布,而是更加均匀;更有甚者,在稳定大气条件下,坡顶上的风更可能出现负剪切的情况,也就是说,高度低的风速高,高度高的风速反而低。 

复杂地形负剪切风速

  值得注意的是,还有一些极端情况,由于机位限制或者施工条件限制,风机不得不部署在山脊背后,此时风况将会变得更加恶劣,如下左图所示那样,风吹过山坡后,由于分离效应,使得山坡后的风产生非常大的旋流和湍流,甚至存在着气泡;如下右图所示,若将风机立于此地,风机将经受极端异常的严苛环境的考验。 


风机在山坡不同位置的风况

  举个实例,下左图描述了某风电场某机位风剪和风速的分布,可以看到风剪切大部分情况都在0附近,极端情况可能低于-0.2,而一般风机设计时是按照+0.2进行载荷校验的。风剪越负,则代表了风机的疲劳载荷越大,且很可能带来叶片与塔筒净空不足的问题。

  下右图则描述了该机位风剪与风向的关联性,可以清晰看出,在30度和100度附近,风剪切明显偏向负值,这两个风向正好也是朝向陡坡。 


某风电场某机位风剪切系数与风速和风向的关联性

  必须提示的是,入流角的变化,也是复杂地形带来的一个危害。比如,下图所示的某风电场入流角与风向的关联性,从地势平坦方向来流的风,入流角集中在2至8度之间,没有超出一般设计风机时采用的8度入流角;而当从陡坡方向来流时,入流角大约在10 度附近,超出风机设计标准。 


某风电场入流角与地形的关系

  所以,复杂地形所带来的复杂风况,超出了风机设计时所考虑的标准和极限范围,给风机的强度、寿命以及发电性能带来很大的危害。

  接下来,要看看复杂地形的风对风机的危害了。

  众所周知,风机靠捕获风能发电,捕获风能的同时也要接受风带来的载荷,而风机是否能稳定的发电20年,很大程度上取决于风况的复杂程度。多种因素影响着风机的载荷,包括绝对风速、湍流、入流角、偏航误差等等,而在复杂地形区域,这些因素往往都会大于目前风机的设计值。须要说明的是,这些针对风机而来的影响不是单方面、单因素的,往往是各种因素加和产生的影响。

  较为明显的危害是,复杂地形下容易出现的大入流角会造成风机风轮平面受载不均衡,如下图已经说明了这一点。简单点说,入流角过大产生的危害和风机风轮不对风的危害类似,容易使主轴承受异常的不平衡载荷,造成轴承、齿轮箱和弹性支承的损坏。 


不平衡载荷

  另外,大负剪和大湍流的结合会加速偏航系统的老化,造成偏航齿圈损坏(见下图),严重时可能还会造成机舱和主机架的损坏。 


大入流角、风剪和湍流联合作用导致偏航齿轮磨损

  不仅如此,除了机械部件的损伤外,风机在复杂地形的应用中往往也会出现各种振动故障,如下图实例所示,由于机位限制,主风向方向上,该风机部署在一个小山包后面,由于受到气流分离的干扰,经常出现振动和不对风的故障,其故障率是全场平均水平的5倍以上,严重影响了风机的可利用率。 


山包后面的风机

  至此,我们应来看看复杂地形的复杂风况对风机发电量的影响了。 

  一方面,首当其冲的就是湍流对风机性能的影响,由于风机的旋转惯量巨大,无法跟上快速的风速变化,那么在大湍流下风机的转速就不可能时时刻刻处于最优点。如下图说明了不同湍流下风机的发电性能(功率曲线)的变化。

 


不同湍流下风机的功率曲线变化

   另一方面,复杂地形的异常入流角也会对风机性能造成损失,如下图所示,与偏航不对风的效果类似,但不同的是,这种情况下风机不能像通过偏航那样来主动对风,只能默默地承受发电量损失。

 


入流角和偏航不对风对风机性能的影响

  行文到此,我们更想表达:如何让风机在复杂地形生存并能更好地捕获风能,是整个风能行业的共同挑战。目前主流的风机设计标准一般源于丹麦和德国的设计思想,这两个国家的地形比较简单,地势平坦,风况稳定,由其所主导产生的标准往往不适用于广大的复杂山区。

  值得欣慰是,随着山地风机应用开发的深入展开,各大厂商也在积极研究解决方案,远景能源将结合具体实例,与行业分享如何从设计、运维和后评估角度来综合改进复杂地形风机的应用,有针对性地提出必要的防范手段和解决措施。

  下回再解,敬请关注!