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研究所“十三五”重点培育方向之“风能利用方向”介绍
发稿时间:2016-07-06         作者:宋娟娟          来源:国家能源风电叶片研发(实验)中心     【字号:

  一、 风能利用方向简介 

  风能利用方向面向国家能源重大战略需求,以新一代风能利用技术为重点,以原始性创新和集成性创新为导向,以解决新一代风能利用所面临的技术难题和形成科技竞争优势为目标。 

  主要研究内容包括:结合国家能源风电叶片研发(实验)中心的建设,围绕新一代风能利用技术的大型化、区域化、利用形式多样化、智能化和海上风能利用等需求和特点,开展适合中国风资源特点的风力机专用翼型研究;开展反映中国气候与地理特点的风资源评估、大型风电场与风力机耦合优化设计技术;深化风电叶片检测技术及检测标准研究;完善大型风电叶片三维设计方法与设计体系研究以及风能海洋能综合一体化设计技术开发为主的五个重要研究方向,从而为解决下一代风电技术的瓶颈和难题提供解决方案。 

  二、十三五期间的发展方向和工作设想 

  1. 重大技术研究 

  1100米级超大型风电叶片制造关键技术研究 

  立足于国家对可再生能源的战略需求及十二五提出的大规模开发海上风电的规划,围绕海上风电开发的关键部件风电叶片,开展100米级超大型海上风电叶片关键设计技术和绿色化制造技术研究。 

  主要内容包括:建立风力机翼型分析、评估方法,开发适合我国风资源特点的风力机专用翼型;开展超大型风电叶片三维气动及流固耦合分析方法;研究提供叶片气动效率及降低叶片噪音的流动控制措施;建立超大型叶片的铺层优化、载荷评估及屈曲分析的结构设计方法;研究叶片结构损伤扩展规律,以及在损伤过程中不同失效模式之间的耦合作用机制,建立叶片结构损伤分析与性能评价技术;探索树脂基高性能纤维绿色叶片材料的应用技术;研究大型风电叶片气动/结构/材料一体化设计体系与制造技术。 

  2)风能热利用关键技术研究 

  围绕大规模风电储能的并网难题,研究风能制热及储热系统的高效率、低成本和长寿命的总体技术方案; 开展弃风蓄热系统关键单元技术研发,研发电加热蒸汽一体化蓄热技术和系统流程及物理与数学模型,提出一体化蓄热系统,进行参数优化方法研究;研发压缩式热泵与相变蓄能系统,研究热泵与相变蓄能装置的参数匹配;开展弃风蓄热系统调控技术研发,研究电蒸汽蓄热、热泵相变蓄热、吸收式热泵等关键装置在蓄能、取能等不同阶段的运行控制策略和变工况调控方法;评估热电联供系统技术的环保性能和可靠性指标,验证系统集成、关键单元和成套技术。 

  2.重大装备研制 

  随着风电叶片大型化的发展,叶片尺寸也越来越大。而目前国际上现有的叶片检测设备大都为针对70米以下所开发的设备。因此,在十三五期间,中心拟开展100米级风电叶片检测设备的研制与建设。 

  对于大型叶片来说,其检测理论与检测技术,与现有的中小型叶片,会有较大的差异。中心多年以来,在风电叶片检测理论、检测技术与检测规范方面一直开展研究工作,并始终把握该领域国际发展的最新动向,工作重点始终面向未来叶片发展趋势对检测所提出的挑战,为100米级叶片检测理论与检测技术的形成打下了比较坚实的基础。十三五期间,中心将在此基础上,开展100米级叶片双轴全尺寸疲劳检测设备、大型多点协调静态检测设备,高柔性叶片模态检测设备,100米级叶片无损检测设备等一系列检测装置与设备的研制与建设工作。,为更大尺寸叶片的基础理论、设计开发、性能评估提供保障。 

  3. 平台建设 

  1)具有高雷诺数弱可压缩来流的风能研发专用风洞 

  具有高雷诺数弱可压缩来流的风能研发专用风洞是掌握风能核心技术、促进大型化风力机基础问题研究必不可少的实验装置。系统由洞体、动力系统、控制系统、测量系统及其它辅助装置组成,可模拟大型风力机所处的高雷诺数弱可压缩运行条件,本项目主要完成洞体、动力系统和控制系统的搭建。该风洞为闭口回流式风洞,包含三元试验段和二元试验段,二元试验段雷诺数可达到107量级。同时匹配先进的实验测量手段,可进行大型风力机整机、叶片及翼型气动特性和流动机理研究。该风洞建成后,可极大提升风力机气动特性研究水平。该风洞将主要用于风力机相关项目的实验研究,也可满足其他领域空气动力学实验需求。 

  2)风能多样化综合利用实验平台 

  风能多样化综合利用实验平台是为掌握匹配和解决风能间歇性、不稳定性输入特性的风能利用技术的专业性实验平台,可以为形成原始创新和集成创新的高效风能利用技术提供实验支撑手段。该实验平台可以模拟风力机实际发电及其用电过程,基于风能吸收特点实现风能供热、储能、释能过程的可控合理匹配,以及期间动态过程的监测测量以及协调控制。该试验台可以为国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的实施提供关键设备支撑。 

  4. 预期成果 

  十三五期间,在北京市延庆县建成100米级风电叶片检测装置,在河北张家口崇礼县形成风能热利用示范项目。 

  三、近期工作进展及重要成果 

  2016年,中心争取中国科学院院科研装备研制项目1项、国家自然科学基金1项、企业项目2项。完成目前国内最大的82米风电叶片的整体方案设计;形成风力机增功提效关键技术;适合中国风资源特点的风电叶片设计技术团队被授予中国科学院科技促进发展奖科技贡献二等奖。“三中心/一实验室”落户地方,项目进入实质阶段;建设旋转实验测试平台一座,形成支撑叶片气动、弹性、疲劳测试技术关键设备;开展现场结构测试系统长周期运行测试。 

  引入强柱弱梁设计概念,揭示了风轮叶片破坏对整机的熔断保护作用;结合实际风电机组在极端风况下的破坏情况,阐明不同停机姿态对风电机组整机破坏的影响机制;对现行的风电机组国际设计规范对不同构件重要度的等级划分给出了相应分项系数的修正建议。 

  通过实测风电机组的噪声源,发现并扩展了主要声源在叶片展向方向的位置,揭示了目前锯齿尾缘降噪效果有限的原因。 

  采用先进脱体涡模拟方法和涡动力学方法进行凹凸前缘仿生翼型的流场模拟,揭示了低雷诺数不同迎角下流动的物理机理,以及流场中复杂涡系的产生和发展过程。 

  开展了不同方位角下大型海上风电机组叶片载荷智能控制研究,揭示了相关气弹耦合控制机理;开展了最佳减阻情况下典型三角肋条壁面摩阻分布和流场预测,以及减阻机理研究,获得了更简便的预测表达式。 

 
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