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【文字直播】技术与创新专题论坛专场——华创风能高伟:深海浮漂式风电机组技术现状与展望

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-24  来源:能见  浏览次数:44  
核心提示:高伟:各位领导,各位专家,我要介绍深海漂浮式风电机组技术的进展。
  11月22-24日,“2017全国大型风能设备行业年会暨产业发展论坛” 在浙江杭州市召开,本届年会以“绿色制造 绿色发展 绿色未来”为主题。大会共邀请来自业内的四十余位专家、主题对话与分享,参会人数超500人。
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沈阳华创风能有限公司研发中心副总工程师兼技术研发部主任高伟先生
  
  高伟:
  
  各位领导,各位专家,我要介绍深海漂浮式风电机组技术的进展。
  
  一、电源特性与研究背景
  
  (PPT图示)大家看的红色的图表是2001年各种电源成本比较,我们发现风能和其他的成本还是有很大的差别。因为到2020年还是希望风火同价,因此,市场对风能的行业提出了巨大的考验。
  
  第二张表,可以看出除了核电和风电,也就是说只要在成本因素上可控制的情况下,风能有很大的市场。
  
  第三张表,风能的数量还是很大,这是300米以下的空间,再往上200米到400米的空间,风能储量巨大。
  
  第四,其实2012年之后,风能发电已经超过了核电,成为我国的第三大电源形式,以前都是风、火、核,现在它已经超过核电。
  
  基于以上的数字,做一个初步的判断,将来风电会有四个趋势,由小向大比较明显,二是中国的低风速的市场越来越大,中国负荷中心主要在中南部,2005年开始同样容量的情况下,由于低风速比较高。由陆向海的趋势,如果在东南沿海大力发展海上风电的话。因为中国除了南海区域以后,其他的海域向大陆架延伸,平均水域并不是很高。由浅向深,由固定的基础向漂浮式平台发展。所以,今天要向大家汇报漂浮式风电机组的情况。
  
  我查了麻省的Heronemus的部分机组,当时还比较小,它采用了拼凑式,它是小机组放在一块儿。实际上1972年到1993年还是有一些文献,当时讲驱动的轮船,但是真正基于漂浮式风电机组应该是英国的FLOAT,它把技术进行了进一步的论证。后来90年代前后陆陆续续出现了一些的,有MUFOW,还有1994年的Eolomar,这时候主要是做技术论证和成本论证。
  
  2000年以后,涉及5兆瓦以后,根据相比以前有一定的积极性了,第一个是Bluer(音)公司,它做得比较小是2MW,第二个是日本九州大学,它是做风、光、量,基于位置上把所有的能量集中起来。目前为止,做得比较产业化的是挪威国家石油公司,它是第一个商业化,是做了2.3MW,旁边是法国WindPlus三脚架式的。
  
  今年10月18号,同样也是英国伦敦苏格兰阿拉伯郡比德黑德海岸25公里的海域,总装机容量30MW,造价约1.9亿英镑,设备是用西门子,安装了6台西门子5MW机型,风轮直径154米,水滴部分是78米,整体成本比09年时降低70%,这样的机组极有可能大规模商业化。
  
  因为我是技术出身,我本身对分布式非常不看好,因为我做过一段时间的噪音研究,我们还做了噪音的国际标准。目前风机最大的挑战是环保,因为中华环保总会已经到了海能风电场,实际上从上世纪初就知道40db的噪音对人体有很大的伤害,这有直接的生物学证明。风机按照目前的转速,它有很大的噪音。因为要减噪,要通过震动把振动减掉,我们不可能做这么大的噪音。
  
  因此,德国风机的安全性能是2公里,现在欧盟立法还要把距离拉长,在中国居住密度这么高的情况下,不要说人,车之间距离要拉2公尺都比较困难。十九大报告里,对环保有驱动要求,可以说应该是考虑尽可能把风电场放在人流不太密集的海上区域,因为地球上比较70%是海域。
  
  漂浮式风电机组载荷非常广泛,现在简单想一想,有海上风载、波载、洋流,还有鱼会咬它,还有海底地震,还有船舶的撞击,也就是计算比陆上风机要扩大很多。ISO-30做了一个海上风机,后来做了-3-2的。目前计算固定价值还可以,但其他还比较困难。
  
  (PPT图示)因为这是很大的复杂方程,要解答没有任何的可行性,这样每个载都加在一块儿,我们尽可能的算出他的固定路线。(PPT图示)这是将来漂浮式风电机组未来的形状。
  
  二、气动特性和风洞实验
  
  首先,我把漂浮式风电机组分成三部分:第一部分是气动;第二步是结构,第三步是海洋动力学的研究分析。我本身做驱动,目前为止,风力比较特殊,特殊在什么地方呢?现在没法用风洞。很多人说为什么不做风洞,因为风这么大,实验室没有办法做风洞,2008年到2009年有人做过一套风洞,最大就是10.5,把全世界最大的风洞做汲取。现在的风机大概是11米,但我们知道假设在做风洞实验里最重要的参数涉及速度、特征长度和粘度有关。假设梭米变成原来的15:1,意味着速度满额速(音),当我们的接近音速0.3的时候,这时候就要考虑空气的压缩性。这时候反应的气动和常数有巨大的差异。10倍基金上0.3的界限了,最后做出的实验室数据完全不一样。所以,大实验室可以做CNB,我本身做过一个实验。做过一个兆瓦,因为5兆瓦模拟时候,上下左右要划一个大的区域。我要捕捉叶片的特性,用不同的模型在地面上,预估测量是6公里左右,如果假设铺二层网就是6毫米左右。我估了一下,大概是1.1亿千瓦左右。这是什么概念?找多时最好的服务器读这个数据,是128G的服务器读这个网段出来,然后再检查每个评估模型,当时测算只是做了示范,做了非常简单的。我们做风电机设计是陆上6000米到8000米,问题是我们还没有捕捉到它的的特性,这个计算非常困难。
  
  我做气动是当时所有的空气阻力都看过,标红的是自己编过程序的,做评估会好一点,但它比较复杂,就是现在的服务器不太支持。把这个过程快速的过一遍,关于气动机最复杂的是专门转捩特性。因为这个点的时候,在某一个点上,气动特性存在一个团里,因为风机在不断的变化,它涉及到大量的风,而且它会抑制。在做测算气动的时候,以目前为止现在的气动汽轮,假设是在弓角不大于10的情况下,这个非常复杂。我比过气动特性不会超过3%,再复杂一点,但主机特性不太靠谱。因为我们无法捕捉到转捩点的特性,因为它的因素太多,当时只做了简单的预测。当时判断转捩特性会有个厚度有影响,但我设计的时候尽可能把它用上。
  
  这就是目前为止现在都在用的两个主要理论多拉(音)因素理论和皮特皮尔斯理论。其实这两个理论算出来差不多,只不过皮特皮尔斯理论,动态分布捕捉会好一些。我们知道除了这个理论之外,还有一个涡理论,有固定涡、描述涡,因是我做描述。其实我描述最大的问题是它的特性受几个参数的影响,这必须通过实验数据。不是说它不好用,但现在的风机也用了,南航的王红光(音)教授就做了很多这方面的研究。
  
  另外,我完全不用实验了,全部是有计算。但是自由涡在有一些动态特性当中,整个计算当时紧密度不是特别高,因为我们在离算化之后,复杂的工况反而计算好,简单反而运用不够,这就违背了我们用这个方法的初衷。现在我们觉得现在的气动算法,(PPT图示)还是这个方法用得比较多。现在斯坦福用了自己的算法。
  
  另外,我自己做了一个风洞验证。这里面有个缺陷,因为我们没有钱,我们就做了叶轮,但我们月的还是可以。后来作五孔探针。PIV就是激光打上去,看了解的情况。这是PIV测量尾迹区图像及处理过程。
  
  说句实在话,不太理想,大概做了两周,做出来的结果很难碰到一块儿去。其实,前面欧盟的研究和美国阿布司(音)的研究是一样的。我们把所有的测算拿出来,假设风洞是非常简单,这种情况下,工具与工具之间差价15%左右。实验做得不好,但做得好应该是5到10,但做到非稳态,比如说有补贴,有湍流的情况下,大家看-100到+150完全没有特性,和实验相比差30%到40%很正常。想想风机行业在全球千亿美元,目前为止还没有一个特别靠谱的。所以,欧盟和美国一直在资助有更好的驱动模型,因为我们的风机越来越大,结构上有局限性,就好像飞机一样,使劲飞,但还是有遇到障碍的情况下。也就是说现在不知道理论便捷,说不定下一步就掉坑里了。
  
  这个方程式不像里约方程,但现在流体做不出来,我们又不想危言耸听,实际上我们不需要了解它的弃风特性,但将来气候上风向上会面临非常大的挑战。
  
  三、结构建模与动态响应
  
  我们是风机整机商,更关心结构方程,因为任何的结算结果,比方说有些计算结构都有两个,结构功率有两个,PIV功率有两个,载荷工具也是有两个。
  
  (PPT图示)现在基本上都用的两个方法:第一个方法,在4.8之前用的是复杂的结构方程,插片化以后,根据部件特性保留一些数据,这样好处是非常快。另外一个完全是流体计算的方法。编起来很枯燥,它涉及一定的复杂性,这里有个问题,因为我们在坐标系上假设它是正态的,实际上因为它是转换矩阵,这时候发现两个叶片的参数很多,有结构的,有驱动的,还有扭转,两个之间的在不同的位置上。
  
  当时做这个是用AeroDy。(PPT图示)实际上做出来差不多。现在甚至都不需要用到结构性动力学。也就是说,只要载荷给得足够大的情况下,这个技术还是很安全的,世界上的风电机组还是少数。
  
  四、整机动力学特性
  
  因为漂浮式风电机组主要复杂性在于技术是变化的,目前所有技术就是三种模型:一是驳船模型,二是浮柱,三是张力腿,其他结构都是这三种结构的变形。所有的东西都要把进驳力计算进去。
  
  (PPT图示)这是我们动力学计算模型。这是整个的过程。工况一个是额定稳态,无波浪,无海浪,类似于陆地,然后是模拟海上的。这是OC3 Spar漂浮式风电机组,就是第一个商用的。这是MIT TLP漂浮式风电机组。还有三架的结构,后来它进入了柔性化,商用之后就不再柔性了。(PPT图示)这是Spar的机组动态模型。
  
  其实我们关心的是ANSYS.AQWA软件,因为海况要比我们想象的空气动力学比较复杂,所以我们就想验证一下给的,因为它是有最复杂,主要是有波,波是一个波群,类似风向有风向性。现在算了一下两个结果没有差数量级,我们知道AeroDy没有差很多,它可以算潮流式也可以算海流式,这个工具还是很可信。
  
  还是要和时间比一下(PPT图示)这个就是当时挪威石油公司做的2MW项目的实验,这是典型的风波流入,但是该仿都仿了。这是全世界第一个,现在它已经部署到了3MW到6.5MW,基本上在设计方面考虑了其他的动力学。下一步可以关注一下它的工艺和成本特性。
  
  就目前为止,针对海上漂浮式风电机组已经不是很远的东西了,已经很近了。这是中国最擅长的东西,因为中国人最擅长交朋友,现在能算都可以算,如果大家觉得还有问题可以自己搭一个小模型。我自己做了一下风洞,不算测算工具,搭这样的测算工具就不到4平方米,如果不放心的话可以加上一个模型。应该就目前的设计方案,和陆上的测算方式一样,基本上靠谱。所以,我个人认为至少我们国家漂浮式风电机组已经起来了,下一步很可能就是在“十三五”末中国就可以实现。因为中国有比其他国家更紧迫。
  
  以上就是我的汇报。谢谢大家!
 
关键词: 华创风能
 
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