能利用臺風(fēng)發(fā)電嗎？

熱心網(wǎng)友：臺風(fēng)的破壞力太大了，人們對它難以控制，而且臺風(fēng)的發(fā)生和存在存在很強的偶然性，利用它發(fā)電實在是有很多的風(fēng)險和麻煩，所以至今都沒有先例。不過還是有人發(fā)明出了可以適應(yīng)臺風(fēng)的發(fā)電機。有相關(guān)資料提出臺風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的破壞作用和防范措施：臺風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的破壞機理有人估算，一個中等強度的臺風(fēng)所釋放的能量相當(dāng)于上百個氫彈釋放能量的總和。可想而知，如果不采取有效防范措施，臺風(fēng)蘊涵的巨大自然能量將給風(fēng)力發(fā)電機組帶來毀滅性破壞。臺風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的破壞機理主要是對設(shè)備結(jié)構(gòu)施加靜載荷和動載荷疊加效應(yīng)。3.1 臺風(fēng)對設(shè)備結(jié)構(gòu)的靜載荷效應(yīng)風(fēng)壓的存在，可由流體力學(xué)中的柏努利定理來說明。簡單的說就是風(fēng)速大時風(fēng)壓小，風(fēng)速小時風(fēng)壓大。因此當(dāng)風(fēng)的流動遇到物體而受阻時，風(fēng)速變小，向風(fēng)面風(fēng)壓升高，流經(jīng)結(jié)構(gòu)后在背風(fēng)面通常產(chǎn)生紊流，使風(fēng)速局部升高而風(fēng)壓降低，對背風(fēng)面造成吸力，如此前后相加的效果，就形成了牽引力，對向風(fēng)面及背風(fēng)面也各自形成了壓力及吸力。壓力、吸力或牽引力的大小，與結(jié)構(gòu)物的形狀有關(guān)（風(fēng)向與結(jié)構(gòu)的相對角度影響也很大，不同角度時其形狀則不同），并與風(fēng)速的平方成正比，因此一個面積上的總風(fēng)壓可用形狀系數(shù)、風(fēng)速平方及面積三者的乘積來表示。臺風(fēng)影響設(shè)備時，設(shè)備結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓靜力與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)，臺風(fēng)時空氣密度很大，風(fēng)速有時高達70 米/秒，因此，如果設(shè)備不能降低受風(fēng)面積，極易超過設(shè)計載荷極限，使設(shè)備遭到破壞。3.2 風(fēng)對設(shè)備結(jié)構(gòu)的動載荷動力效應(yīng)臺風(fēng)除了施加靜載荷外，還施加動載荷，動載荷主要由湍流引起。湍流是指風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量的迅速擾動，或不規(guī)律性。湍流在很大程度上取決于環(huán)境的粗糙度、地層穩(wěn)定性和障礙物。在臺風(fēng)的特性與風(fēng)場內(nèi)復(fù)雜的丘陵地表共同作用下形成湍流團，由于受動量守恒和能量守恒的制約，在湍流區(qū)域有較大的氣流混合與能量轉(zhuǎn)換活動，給區(qū)域內(nèi)的設(shè)備造成破壞。結(jié)構(gòu)受風(fēng)也會引起與風(fēng)向垂直的振動。當(dāng)風(fēng)速達到某一數(shù)值時，結(jié)構(gòu)的背風(fēng)面即產(chǎn)生方向相反的兩組湍流順風(fēng)而下，這兩組湍流交替產(chǎn)生（見圖二）， 在產(chǎn)生湍流的一側(cè)，因風(fēng)速局部提高而壓力降低，故對結(jié)構(gòu)體有一吸引力，其主要分力與風(fēng)向垂直；當(dāng)另一側(cè)產(chǎn)生湍流時，其吸力方向幾乎相反。因此，對設(shè)備結(jié)構(gòu)形成周期性激蕩，如湍流產(chǎn)生的周期恰好與風(fēng)力發(fā)電機組固有振動周期相近時，設(shè)備結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生橫向的共振，最終導(dǎo)致破壞設(shè)備。有的橫向振動與某些結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)矩形斷面結(jié)構(gòu)在受風(fēng)壓情形下，如偶爾向橫向某一側(cè)運動，其所受風(fēng)壓會增大向該一側(cè)的運動，另一側(cè)向亦然。沿風(fēng)向的振動通常不是持續(xù)周期性的，但是橫風(fēng)向的振動一旦發(fā)生，特別是柔性的結(jié)構(gòu)及某些斷面形狀下一旦有橫向的振動就會越振越烈，并接近葉片和塔架的固有頻率形成共振，不斷給設(shè)備施加疲勞載荷，使材料由外及內(nèi)損傷或失效，最后達到或超過葉片和塔架的設(shè)計載荷極限，輕則引起部件機械磨損，縮短風(fēng)力發(fā)電機組的壽命，嚴(yán)重的使葉片損壞及塔架傾倒?？傊?，臺風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的破壞往往是多種因素共同作用的結(jié)果，臺風(fēng)的破壞機理還需要進一步觀察研究，風(fēng)力發(fā)電機組防臺風(fēng)工作任重道遠，需要各學(xué)科的交叉研究配合才能做到更好。4 臺風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的破壞4.1 臺風(fēng)夾帶的細(xì)小沙礫造成破壞葉片表面，輕則影響葉片氣動性能，產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重的將因此破壞葉片表面強韌性由此降低葉片整體強度；4.2 臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)暴雨對輸電線路的破壞非常嚴(yán)重，輕則使其出現(xiàn)小故障，重則損壞設(shè)備以及導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。因不能正常供電使風(fēng)力發(fā)電機組不能執(zhí)行安全保護程序，給設(shè)備帶來危害；4.3 目前多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機組仍是采用構(gòu)造簡單、價格低廉、測量精度差的杯式風(fēng)速儀和后尾舵式風(fēng)向儀測量風(fēng)速風(fēng)向，并根據(jù)它的模擬信號調(diào)整風(fēng)機葉片功角和調(diào)整對風(fēng)情況。臺風(fēng)所蘊含的巨大能量往往把測風(fēng)裝置破壞，使風(fēng)力發(fā)電機組不能正確偏航避風(fēng)，給風(fēng)力發(fā)電機組帶來很大危害；4.4 臺風(fēng)施加在設(shè)備上的靜力效應(yīng)和動力效應(yīng)共同作用下不斷施加疲勞載荷，最后達到或者超過葉片和塔架的設(shè)計載荷極限，輕則引起部件機械磨損，縮短風(fēng)力發(fā)電機組的壽命，嚴(yán)重的使葉片損壞及塔架傾覆。例如，較早前印度和日本曾有大批風(fēng)力發(fā)電機組在臺風(fēng)襲擊下連根傾翻，給風(fēng)電場造成嚴(yán)重?fù)p失。5 臺風(fēng)的預(yù)防措施為了充分利用風(fēng)能資源，減少臺風(fēng)給風(fēng)電場帶來的損失，我們在分析研究了臺風(fēng)的破壞機理后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)提出以下幾點可行性高的防范措施并且部分技術(shù)改造方案已在現(xiàn)有或?qū)⒁ㄔO(shè)的風(fēng)力發(fā)電機組上投入試驗：5.1 風(fēng)力發(fā)電機組微觀選址的前期預(yù)防風(fēng)力發(fā)電機組盡量在風(fēng)機高度范圍內(nèi)風(fēng)垂直切變值及地面粗糙度都較小，各種風(fēng)況下都不容易形成湍流的地方安裝；5.2 供電可靠確保設(shè)備安全保護程序有效只有在供電正常的情況下設(shè)備安全保護程序才能發(fā)揮應(yīng)有作用，確保安全運行。由于現(xiàn)在開發(fā)設(shè)計的大型風(fēng)力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)都是實行主動偏航，程序設(shè)計是在風(fēng)速正常的時候?qū)︼L(fēng)保證采能最大化，風(fēng)速超過額定風(fēng)速時避風(fēng)實現(xiàn)采能最小化。如果在臺風(fēng)等大風(fēng)情況下停止供電，機組因此而不能夠執(zhí)行偏航避風(fēng)的安全指令使葉輪處于避風(fēng)自由狀態(tài)，將導(dǎo)致設(shè)備與臺風(fēng)湍流頻率形成共振，最終損壞設(shè)備。供電可靠分輸電線路可靠和供電電源可靠。輸電線路分場外線路和場內(nèi)線路，由于風(fēng)電場一般建在離用電負(fù)荷中心較遠的風(fēng)資源較豐富的地方，考慮到電力傳輸?shù)男詢r比，因此，場外大多采用電壓等級較高的高壓架空線。為了確保輸電可靠，設(shè)計輸電線路時應(yīng)充分考慮臺風(fēng)施加在桿塔和線路上的力學(xué)效應(yīng)及雜物破壞，盡量提高供電的可靠性。場內(nèi)集電線路在條件允許的情況下，最好使用電纜溝敷設(shè)地埋電纜，也應(yīng)充分考慮山洪和泥石流對線路的破壞。場內(nèi)應(yīng)有緊急備用電源，確保對風(fēng)力發(fā)電機組不間斷供電；5.3 裝備性能優(yōu)良的測風(fēng)設(shè)備性能可靠的測風(fēng)儀器是提高風(fēng)能利用率和機組安全運行的保證。使用受風(fēng)面積小、不易受破壞且能精確測量風(fēng)速、風(fēng)向的紅外超聲波感應(yīng)儀，它能不間斷的向風(fēng)機控制系統(tǒng)提供可靠的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，在保證設(shè)備合理采能及安全運行的同時還能收集臺風(fēng)信息，積累豐富的現(xiàn)場第一手資料為研究和防范臺風(fēng)做資料儲備；5.4 選用強度高的葉片材料由于現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機組趨勢是單機容量增加，相應(yīng)的葉片長度也在增加，綜合運行維護等因素考慮，強度高、質(zhì)量輕、價格目前相對較貴的碳纖維增強型塑料是大型風(fēng)力發(fā)電機組葉片的首選填充材料。5.5 強度監(jiān)測、優(yōu)化運行由于大型風(fēng)力發(fā)電機組的葉片作為機組采能核心占整機造價的比重較高，且運輸和更換困難，如何提高葉片使用壽命是風(fēng)電行業(yè)必須面對的重要議題。在葉片上設(shè)置具有檢測作用的光導(dǎo)纖維，將它收集到的信息傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)，這樣運行人員就能時時了解它的載荷、溫度、被傷害和疲勞程度，根據(jù)實際情況，及時維修并對其優(yōu)化合理地“使用”，既降低了維護費用也延長了使用壽命。5.6 提高設(shè)計水平科學(xué)合理的設(shè)計、科學(xué)合理的選擇制造材料和科學(xué)的加工工藝是風(fēng)力發(fā)電機組不受臺風(fēng)破壞的重要保證。提高整體設(shè)計水平特別是葉片設(shè)計，在保證葉片的氣動性能和造價的同時兼顧強度和防止產(chǎn)生共振，提高抵抗以上所述極端惡劣情況的能力，是風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行的先決條件。因此，雖然困難很多，但是既然人們都已經(jīng)研究考慮了這么多防范措施和改進方法，相信終有一天可以利用臺風(fēng)進行發(fā)電的。