海上風(fēng)電場(chǎng)面臨哪些考驗(yàn)？

2018-01-11 09:49:08 來源:《科學(xué)世界》雜志　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

安裝并非是海上風(fēng)電場(chǎng)唯一的難點(diǎn)。海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)20～30年，其工作環(huán)境比陸地惡劣得多。期間一旦發(fā)生故障需要維修的話，所需經(jīng)費(fèi)

安裝并非是海上風(fēng)電場(chǎng)唯一的難點(diǎn)。海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)20～30年，其工作環(huán)境比陸地惡劣得多。期間一旦發(fā)生故障需要維修的話，所需經(jīng)費(fèi)更是遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)電。如何保證風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜海洋環(huán)境和不同運(yùn)行條件下的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并經(jīng)受臺(tái)風(fēng)、嚴(yán)寒、腐蝕、雷暴的考驗(yàn)？這是海上風(fēng)力機(jī)制造廠家和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工單位必須考慮的問題。

臺(tái)風(fēng)來了，風(fēng)電場(chǎng)還能運(yùn)行嗎？

臺(tái)風(fēng)是我國(guó)東南沿海常見的災(zāi)害天氣，其影響范圍廣、平均風(fēng)速大、湍流強(qiáng)度高、風(fēng)向變化快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有著驚人的破壞力。可導(dǎo)致葉片斷裂、塔筒折斷、機(jī)艙罩傾覆等。

目前我國(guó)在臺(tái)風(fēng)多發(fā)的南部海域建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)較少，從陸上風(fēng)電場(chǎng)的情況來看：2003年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”于9月2日在廣東汕尾登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)，登陸點(diǎn)附近的風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得極大風(fēng)速為57米/秒，其25臺(tái)風(fēng)力機(jī)中的13臺(tái)受到不同程度的損壞；2006年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”8月10日在浙江蒼南登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為17級(jí)，導(dǎo)致位于蒼南的鶴頂山風(fēng)電場(chǎng)28臺(tái)風(fēng)力機(jī)全部受損，其中5臺(tái)倒塌；2014年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”7月18日登陸廣東湛江，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為17級(jí)，導(dǎo)致徐聞的勇士風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)風(fēng)機(jī)中的13臺(tái)風(fēng)力機(jī)倒塌，5臺(tái)風(fēng)力機(jī)完全損壞。

位于臺(tái)風(fēng)頻繁海域的海上風(fēng)力機(jī)需要采用抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)：增加質(zhì)量阻尼器，減少臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)；加強(qiáng)機(jī)艙罩，確保在臺(tái)風(fēng)期間機(jī)艙完好；加強(qiáng)風(fēng)速風(fēng)向儀的固定，使其在臺(tái)風(fēng)期間能夠正常運(yùn)行。當(dāng)預(yù)報(bào)有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)到來時(shí)，需控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)，葉片變槳至順槳角度，并進(jìn)入自動(dòng)偏航模式實(shí)時(shí)以風(fēng)輪正面對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，保證臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)輪的載荷最小。臺(tái)風(fēng)過后，需檢查葉片、機(jī)艙罩等是否出現(xiàn)損壞、發(fā)電機(jī)構(gòu)是否能正常工作。即使沒有臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)，風(fēng)力機(jī)自身的控制系統(tǒng)也能在風(fēng)速過大（大于25米/秒）時(shí)切出，并停機(jī)順槳進(jìn)入防風(fēng)狀態(tài)。

不過，包括臺(tái)風(fēng)在內(nèi)的熱帶氣旋帶來的大風(fēng)，在不超過一定強(qiáng)度時(shí)可以給風(fēng)電場(chǎng)帶來較長(zhǎng)的滿發(fā)時(shí)段（風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間滿負(fù)荷運(yùn)行發(fā)電，大致為10～25米/秒），這是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)有利的一面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)平均每年有6.6個(gè)是能夠創(chuàng)造良好發(fā)電效益的“好臺(tái)風(fēng)”，3.5個(gè)是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有威脅的“壞臺(tái)風(fēng)”。

極寒會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有影響嗎？

高緯度地區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)還面臨著嚴(yán)寒的威脅。嚴(yán)寒會(huì)產(chǎn)生海冰，破壞風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)；水氣（雨、雪、霜及海霧等）凍結(jié)在風(fēng)力機(jī)葉片等部件上，影響風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)；低溫還會(huì)讓風(fēng)力機(jī)中各種材料（金屬、橡膠與復(fù)合材料）和潤(rùn)滑油的性能下降。

▲面臨海冰威脅的海上風(fēng)力機(jī)

我國(guó)的海冰出現(xiàn)在冬季的渤海與北黃海沿岸，渤海的冰期一般超過3個(gè)月（12 月～翌年3月）。在冰期中，遼東灣北部海域覆蓋有10～40厘米厚的海冰，漂流速度最大為0.5米/秒。大面積海冰會(huì)擠壓沖擊基礎(chǔ)，并引起基礎(chǔ)震動(dòng)。水位變化時(shí)，海冰還會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生上拔或下壓效應(yīng)。滲入混凝土基礎(chǔ)表層的海冰在結(jié)冰時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力，反復(fù)凍融會(huì)破壞混凝土。為此，位于結(jié)冰海域的基礎(chǔ)必須設(shè)計(jì)抵御海冰的措施。

海上濕度較大，在嚴(yán)寒時(shí)葉片可能結(jié)冰，造成風(fēng)力機(jī)發(fā)電能力下降，積冰嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致葉片斷裂。在高緯度地區(qū)，寒冷的冬季通常也是取暖用電高峰，而葉片結(jié)冰會(huì)損失年發(fā)電量1%～10%，極端地區(qū)甚至能達(dá)到20%～50%。為此，工程師們開發(fā)出了多種除冰方法，其中被動(dòng)除冰是在葉片表面涂以特殊涂料，目前應(yīng)用最廣的是超疏水涂層，可降低葉片與水、冰之間的黏結(jié)性。而黑色烤漆可在白天借助陽(yáng)光的熱量除冰。此外，還有能夠滲出可降低結(jié)冰點(diǎn)的抑制劑的概念涂層等尚處于實(shí)驗(yàn)室階段的技術(shù)。主動(dòng)除冰則是在葉片表面安裝熱電阻元件或加熱葉片內(nèi)部空氣，使葉片溫度處于0℃以上。高緯度地區(qū)的風(fēng)力機(jī)一般需要結(jié)合主動(dòng)加熱和被動(dòng)涂層的除冰能力。

▲用直升機(jī)為葉片除冰

低溫還會(huì)讓風(fēng)力機(jī)各材料的性能下降。如果沒有任何防護(hù)，風(fēng)力機(jī)的最低操作溫度一般是－20℃，而停機(jī)溫度是－30℃。如果采用了抗低溫的合金鋼、密封的機(jī)艙以及各部件加熱設(shè)備，則能讓風(fēng)力機(jī)在－30℃也能正常工作，停機(jī)溫度可低至－40℃以下。不過，我國(guó)近海海域很少會(huì)有如此之低溫。

在大海上如何防腐呢？

海上風(fēng)力機(jī)及其基礎(chǔ)通常由大量鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，對(duì)鋼而言，海水是具很強(qiáng)腐蝕性的天然電解質(zhì)溶液。海水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕從本質(zhì)上來說是一種電化學(xué)反應(yīng)：鋼是鐵元素和滲碳體的混合物，構(gòu)成陽(yáng)極的鐵元素被氧化形成鐵銹，構(gòu)成陰極的滲碳體發(fā)生氧的還原。保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)同樣要靠電化學(xué)，這就是讓鐵的電位處于相對(duì)高值成為陰極的陰極保護(hù)法。可以用還原性比鐵更強(qiáng)的金屬與鋼結(jié)構(gòu)連在一起，使其成為犧牲陽(yáng)極遭到腐蝕，而作為陰極的鋼結(jié)構(gòu)得到保護(hù)。常用的犧牲陽(yáng)極有鎂合金、鋅合金、鋁合金等。還可以在回路中接入外加直流電源，將電流通向鋼結(jié)構(gòu)，使其成為陰極。

▲被海水腐蝕的基礎(chǔ)

避免腐蝕的另一種常用方法是在鋼結(jié)構(gòu)表面施以由環(huán)氧樹脂構(gòu)成的防腐涂層來隔絕海水。目前，海上風(fēng)電的防腐常將這兩種方法結(jié)合起來，在涂料中加入大量鋅粉或鋁粉，成為犧牲陽(yáng)極。一旦涂層的阻隔作用削弱，就用犧牲陽(yáng)極來保護(hù)。

▲修補(bǔ)腐蝕位置

在海洋上方的大氣中，離海面越近，空氣的濕度和氯化物含量越高，容易形成懸浮在空氣中的含氯化物的細(xì)微液滴，即鹽霧。當(dāng)鹽霧與金屬接觸時(shí)，也會(huì)形成電化學(xué)腐蝕。也就是說，海上風(fēng)力機(jī)的腐蝕并不局限在基礎(chǔ)和塔筒下方與海水接觸的區(qū)域，而可能發(fā)生在任何接觸到海上空氣的地方。這就是為何海上風(fēng)力機(jī)的核心—機(jī)艙需要采取密封措施，避免外界空氣進(jìn)入。在陸上風(fēng)力機(jī)中，機(jī)艙里齒輪箱和發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)依賴空氣的流動(dòng)。而在海上風(fēng)力機(jī)里，其冷卻所用的內(nèi)部空氣通過再循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱交換，不與外界混合。同時(shí)還需要在機(jī)艙和塔筒內(nèi)安裝除濕裝置，使得內(nèi)部環(huán)境的濕度低于鋼材料的腐蝕界限。

遇到雷暴怎么辦？

近海地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)、空氣濕潤(rùn)，容易形成雷暴。海上風(fēng)力機(jī)矗立在平坦的海面上，同時(shí)水氣和鹽霧又會(huì)在葉片表面聚集，使得風(fēng)力機(jī)易于遭到雷電襲擊。最可能被雷擊損害的部件是位于風(fēng)力機(jī)最高點(diǎn)的葉片；風(fēng)力機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)被雷電流干擾，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)不能動(dòng)作或做出錯(cuò)誤動(dòng)作；雷電流還會(huì)在機(jī)艙內(nèi)部金屬間隙產(chǎn)生火花，引起火災(zāi)和爆炸。

風(fēng)力機(jī)防雷最常用的方法是在葉片尖部及其下安裝多個(gè)金屬接閃器，讓雷擊時(shí)電流通過接閃器和葉片內(nèi)置的引下導(dǎo)體傳遞至葉片根部及輪轂，引下導(dǎo)體繼而連接機(jī)艙和塔筒，最后通過接地裝置泄入海洋。為了避免電氣設(shè)備被雷電流干擾，可以采用過電壓保護(hù)、屏蔽措施和等電位連接方法。機(jī)艙內(nèi)部各部件則需通過螺栓連接到底部的金屬支撐架上，不與底盤相連的部件都與接地電纜相連，以盡可能防止火花。

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