“柔性智能葉片”成為風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向

　　風(fēng)能是最具有開發(fā)價(jià)值的新能源，風(fēng)能是分布最廣，離我們最近，取用最方便的無(wú)污染的清潔能源，用好風(fēng)電對(duì)減少碳排放，改善環(huán)境意義重大。風(fēng)能也是儲(chǔ)量巨大的新能源，風(fēng)能取之不盡，用之不竭，并具有相對(duì)最低的開發(fā)成本，所以風(fēng)電的發(fā)展應(yīng)該作為新能源發(fā)展的重點(diǎn)。

　　中國(guó)氣象局日前公布我國(guó)首次風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)取得的進(jìn)展和階段性成果我國(guó)陸上離地面50米高度達(dá)到3級(jí)以上風(fēng)能資源的潛在開發(fā)量約23.8億千瓦；我國(guó)5—25米水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50米高度可裝機(jī)容量約2億千瓦。我國(guó)陸上風(fēng)能資源主要集中在內(nèi)蒙古的蒙東和蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海等7個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。僅這些地區(qū)的陸上50米高度3級(jí)以上風(fēng)能資源的潛在開發(fā)量就達(dá)18.5億千瓦。

　　面對(duì)如此巨大的風(fēng)能資源，面對(duì)我國(guó)嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢(shì)，為什么我國(guó)80多家風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)大部分產(chǎn)能閑置？為什么會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重產(chǎn)能過(guò)剩？具統(tǒng)計(jì)至2009年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H2500萬(wàn)千瓦，風(fēng)電占全國(guó)的用電量還非常小，裝機(jī)容量占可開發(fā)量就更少，為什么風(fēng)電工程會(huì)淪落為“形象工程”？風(fēng)電被稱為“垃圾電源”？為什么風(fēng)電的開發(fā)與需求產(chǎn)生如此大的反差？這些矛盾和問(wèn)題的出現(xiàn)已嚴(yán)重影響到風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　這些矛盾和問(wèn)題的出現(xiàn)，追根溯源是風(fēng)電技術(shù)的不適應(yīng)造成的。我國(guó)在“三北”（西北、東北、華北）地區(qū)在建的有6個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地，現(xiàn)在還處于建設(shè)初期有些問(wèn)題已突出表現(xiàn)出來(lái)，首先是裝機(jī)容量大而發(fā)電量低；其次是并網(wǎng)難題無(wú)法破解；還有故障率高，維護(hù)成本大。這些問(wèn)題主要是葉片性能造成的，現(xiàn)有葉片是參照直升飛機(jī)的葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，MW級(jí)風(fēng)電機(jī)葉片非常巨大，強(qiáng)剛性能要求很高，造價(jià)高昂，具有很好的空氣動(dòng)力性能。在“三北”地區(qū)雖然多風(fēng)，但大風(fēng)畢竟很少，一般就是2~3級(jí)風(fēng)，大一點(diǎn)4~5級(jí)風(fēng)，6級(jí)風(fēng)以上都較少，所以葉片的空氣動(dòng)力性能根本發(fā)揮不出來(lái)。風(fēng)速低，空氣動(dòng)力性能弱，必然造成發(fā)電量低，這就是造成“裝機(jī)容量大而發(fā)電量低”的主要原因。“三北”地區(qū)每年還有幾次大的沙塵暴，在這種情況下，沖擊電流很大，不可能并網(wǎng)，但剛性葉片風(fēng)載很大，風(fēng)電機(jī)受力不平衡，附加扭矩很復(fù)雜，對(duì)風(fēng)電機(jī)產(chǎn)生擺動(dòng)和振動(dòng)，往往會(huì)造成故障和破壞。所以說(shuō)葉片的空氣動(dòng)力性能該發(fā)揮的時(shí)候發(fā)揮不出來(lái)，不該發(fā)揮的時(shí)候卻越來(lái)越強(qiáng)，只會(huì)帶來(lái)破壞。

　　并網(wǎng)穩(wěn)定性差和高故障率是影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙，這個(gè)問(wèn)題主要是由于控制系統(tǒng)的滯后性和葉片的強(qiáng)風(fēng)載造成的。

　　現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)的控制裝置主要有偏航裝置和變漿矩裝置，我們知道自然界的風(fēng)向和風(fēng)速都是隨時(shí)隨機(jī)變化的，我們的調(diào)節(jié)裝置雖然可以根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速調(diào)整，但在速度上始終是滯后的，并不能完全滿足風(fēng)電機(jī)平穩(wěn)發(fā)電的需要。比如在自然界中風(fēng)向呈90°變化是經(jīng)常發(fā)生的，偏航裝置和變漿矩裝置的響應(yīng)速度若是1°/秒，90°就需要90秒的調(diào)整時(shí)間，在這么長(zhǎng)的調(diào)整過(guò)程中，風(fēng)輪葉片所受的風(fēng)力角是完全不同的，也就是葉片所受的風(fēng)力是變化的，必然造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，從而影響到風(fēng)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成風(fēng)電機(jī)解網(wǎng)，造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。這種調(diào)節(jié)的滯后性在強(qiáng)風(fēng)暴的氣候條件下，往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，在高風(fēng)速情況下葉片處于順漿位置，若風(fēng)向發(fā)生90°變化，就會(huì)使葉片完全處于大面積受風(fēng)的狀態(tài)，使葉片受力突然增大，葉片受到的強(qiáng)大風(fēng)載就會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸對(duì)變速裝置造成巨大的沖擊，巨大的風(fēng)載也會(huì)對(duì)偏航裝置造成沖擊，造成變速裝置和偏航裝置的損壞，葉片也有可能被折損壞。

　　下面我們對(duì)葉片性能進(jìn)行分析，現(xiàn)有葉片是按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，如同飛機(jī)的機(jī)翼，在微風(fēng)狀態(tài)下，空氣動(dòng)力性能肯定是很弱的，就像飛機(jī)速度低沒(méi)有升力一樣，這樣必然造成微風(fēng)發(fā)電性能差。在高風(fēng)速狀態(tài)下，葉片的空氣動(dòng)力性能不斷增強(qiáng)，葉片性能不但不能起到穩(wěn)速穩(wěn)頻的作用，反而成了風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定和強(qiáng)破壞性的發(fā)源地，我們通過(guò)簡(jiǎn)單的量化計(jì)算就可知道它的危害程度。我們以1.5MW風(fēng)電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)計(jì)風(fēng)速為13m/s，產(chǎn)生的能量為1.5MW，可轉(zhuǎn)換為152958kgf·m/s，其能量核算在葉片上的風(fēng)載可達(dá)百噸。若12級(jí)臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)速為34m/s，而風(fēng)的能量與風(fēng)速的關(guān)系是三次方的關(guān)系，那么在臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下葉片產(chǎn)生的風(fēng)載將達(dá)千噸以上，這個(gè)數(shù)值是相當(dāng)驚人的。我們知道風(fēng)電機(jī)的控制系統(tǒng)有卸載功能，但任何控制系統(tǒng)都存在滯后性，不可能對(duì)葉片及時(shí)完全卸載，這樣大的風(fēng)載形成的沖擊力是任何機(jī)械裝置都無(wú)法承受的，我們?cè)O(shè)計(jì)制造的變速裝置很大，強(qiáng)度也非常高，但仍不能避免這種沖擊力對(duì)變速裝置的損壞。為了避免變速裝置的損壞，風(fēng)電機(jī)又向直驅(qū)方向發(fā)展，直驅(qū)方式省掉了變速裝置，但造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，我們知道發(fā)電機(jī)的發(fā)電量是由線圈切割磁力線的速度決定的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低也就意味著發(fā)電效率的降低，人們又一次以犧牲發(fā)電效率為代價(jià)來(lái)解決葉片設(shè)計(jì)不合理所造成的后果。這種治標(biāo)不治本的方式肯定是達(dá)不到效果的，這樣做只是改變了故障發(fā)生的部位，并不能避免強(qiáng)風(fēng)載帶來(lái)的破壞。強(qiáng)風(fēng)載也是造成沿海風(fēng)電機(jī)不穩(wěn)定、安全性無(wú)法保障的最根本原因。也是造成沿海風(fēng)電機(jī)被臺(tái)風(fēng)損毀的主要原因。葉片強(qiáng)風(fēng)載還會(huì)造成風(fēng)電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)，這對(duì)風(fēng)電機(jī)的破壞也是很強(qiáng)的，往往造成疲勞損壞和高故障率。