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所长基金重点培育项目“符合中国风资源特点的高效大型风电叶片关键技术研究”简介(上)
发稿时间:2013-09-09         作者:杨科          来源:国家能源风电叶片研发(实验)中心     【字号:

  我国风能资源储量丰富,据中国气象局最新的风能资源评价数据,我国陆上距地面50高度的风能资源可开发量约为23.8亿千瓦。根据中国风能协会统计(如下图所示),自2006年,我国风电机组装机容量连续五年翻番,2012年底,总装机容量超过7600万千瓦,连续两年列全球第一。 

 

  然而,风能在市场的占有率和能源消费结构中的比重仍然偏低,不仅落后于欧洲等发达国家,即使与同为发展中国家的印度相比,亦存在很大差距。我国风电产品多为仿制国外成熟机组,不重视研究风能吸收与利用过程中的内在科学规律和特征,因此缺乏自主知识产权是我国风能利用技术落后的最关键因素。这种差距在风电机组最关键部件——风电叶片上表现得尤为突出。目前,我国风电叶片的核心技术大都由国外引进,不仅严重地制约了我国风电产业的健康发展,同时由于国外设计标准无法适应我国的风资源特点,导致事故频发。例如,200392,台风“杜鹃”袭击广东汕尾市红海湾风电场,导致该风电场9台机组叶片被破坏,如下图。该风电场机组是由某国际风电著名企业生产,所提供的叶片抗风强度为70m/s,但实测台风的最大瞬时风速仅57m/s。这充分说明:由于国外设计技术未考虑台风的强不均匀性及此条件下的流固耦合特性,使得叶片在远未达到极限风速时被破坏。 

 

  又如,20111011月间,安装于河北省张北县风电场的机组叶片出现大面积损坏,如下图。该风场机组选用了某国际知名企业生产的37.5m叶片,是根据欧洲气候条件设计的。经分析发现事故的主要原因之一为:在气动载荷和结构设计中,仍然使用欧洲风况条件下的设计方法,没有考虑当地较强的风切变等极端风况出现频率高的实际情况。因此,针对我国风资源特有的实际情况,必须重新布局与思考,找到我国风电产业“大而不强”的科学、技术和工程原因,深入系统地研究并攻克新一代大型风电叶片研制过程中的关键科学问题,顺应风电技术大型化、地域化、智能化的发展方向,开发具有自主知识产权的一体化设计平台,为我国风能利用的持续健康发展打下坚实基础。 

 

  所长基金重点培育项目“符合中国风资源特点的高效大型风电叶片关键技术研究”的总目标为研究适用范围宽广的风电叶片翼型族及风电场耦合优化设计技术。结合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, 为解决下一代风电叶片设计的瓶颈和难题提供解决方案。项目的研究内容主要集中在以下三个方面: 

  1、形成适合于我国风电工业及环境的风力机翼型设计体系;完成满足新一代风电叶片设计需求的具有自主知识产权的高性能风力机翼型研发。在已有的CAS-W1系列翼型及国外常用的风力机专用翼型族的基础上,发展出适用于更高雷诺数的具有低载、高效、宽广工作范围的薄翼型(15%30%翼型厚度),翼型需满足在一定范围雷诺数内(60万至100万),均具有平缓失速特性、粗糙度不敏感特性。完成具有更大尾缘厚度(7%)的具有平缓失速特性的厚翼型(35%-60%)设计, 翼型需满足在一定范围雷诺数内(30万至50万),具有较为平缓失速特性针对大厚度翼型具有的复杂的转捩、失速特性,基于大涡模拟的方法,开展适合高雷诺数、大厚度翼型气动特性评估的数值模拟研究;开展大厚度翼型作为替代翼型的适用性研究;大厚度钝尾缘翼型研究及其相关减阻降噪技术研究;开展新设计翼型的风洞实验研究。 

  2、完成开发反映中国复杂地形和热带气旋特点的风资源评估、风力机尾流效应模拟、风力机优化布置及风电场微观选址等风力发电关键技术,以有效提高风电叶片及风电场的风能利用效率。在单台风力机尾迹效益研究基础上,应用动能衰减原理,进一步考虑多台风力机情况时的尾迹效应叠加影响,开发适合实际应用的风力机尾迹模拟技术。根据待优化的风场气象和地理条件,以二进制元素代表待选风机参数,开展二进制粒子群风力机优化布置算法研究,以期同时解决收敛速度和精度问题,开发新型风力机优化布置技术。 

  在此研究基础上,针对适合风电场建设的典型尺度二维山脊、三维山、二维陡坡、二维起伏以及三维起伏等复杂地形特点和不同风力机排布情况,采用数值模拟和风洞实验,研究风场、地形与风力机相互作用及其对三维紊流速度场影响规律和变化特征,相应开发适合我国内陆复杂地形的风资源评估和微观选址技术。通过整理分析我国东南沿海近60年热带气旋风资源特性,采用数值模拟和风洞实验,研究风场、地形与风力机相互作用及其对三维紊流速度场影响规律和变化特征,相应开发处适合我国沿海地区的风资源评估和微观选址技术,同时也为沿海风电场中风力机设计和标准制定以及可靠性与失效性分析等提供必要的理论依据。 

  3、构建全三维、高精度、非定常空气动力学与结构力学的气弹耦合模型,大型叶片噪声数值模型方法研究,大型叶片流动控制的联合作用机理及方法,形成适合于中国风资源特点的大型、超大型风电叶片的三维设计方法及设计体系。首先,在已有研究基础上,完成POD气动模型构建及全尺寸FEM模型构建,发展三维非定常气弹模型,提高叶片设计的准确性和可靠性;其次,构建噪声预测模型;在准确预测分析噪声的基础上,开展降噪措施研究,并指导叶片优化设计,保证噪声水平达到国际标准。同时,对涡流发生器、襟翼等多种流动控制策略的机理展开研究,与翼型研究相结合,优化叶片设计,达到提高叶片捕风效率,同时控制载荷的目标。 

 

  该项目的技术路线如上所示。国家能源风电叶片研发(实验)中心预期通过以上研究,到2015 年建成适合中国风资源特点的大型风电叶片耦合设计和检测体系。到2020 年,完成海上风电机组集成技术研究,并形成完善的大型风电场与风力机耦合优化设计技术。 

 
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