書上說(shuō)風(fēng)能是一種取之不盡的清潔能源,可現(xiàn)實(shí)是容易開(kāi)發(fā)的區(qū)域越來(lái)越少,勇敢的開(kāi)發(fā)者只好向地形復(fù)雜的山地區(qū)域進(jìn)軍,而這些區(qū)域地形起伏大、變化多,風(fēng)能資源分布不均勻,且氣候條件比較復(fù)雜、植被繁多,風(fēng)況變化多端,使得風(fēng)機(jī)的應(yīng)用環(huán)境變得格外復(fù)雜。
簡(jiǎn)單地說(shuō),復(fù)雜地形的風(fēng)況因地形而生。
我們改變不了地形,我們必須認(rèn)識(shí)和掌握這類地形的風(fēng)。唯有這樣,我們才能知道風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到的問(wèn)題,不能因?yàn)轱L(fēng)耍個(gè)性壞了風(fēng)機(jī)的發(fā)電性能和性命。
那好問(wèn)題來(lái)了,破壞風(fēng)機(jī)的復(fù)雜地形的風(fēng)究竟是什么性情?!
先來(lái)說(shuō)風(fēng)機(jī)在復(fù)雜多變風(fēng)況中遇到的問(wèn)題。復(fù)雜的山地,地勢(shì)起伏,風(fēng)機(jī)只能部署在山脊上,而大部分情況下主風(fēng)向垂直于山脊,這就造成了山地風(fēng)況與平地風(fēng)況的區(qū)別。
如下圖所示,由于地面摩擦力的影響,風(fēng)速在豎直方向上的分布一般呈對(duì)數(shù)分布,但在中性大氣條件下遇到陡坡后,風(fēng)速的分布就不再遵守對(duì)數(shù)分布,而是更加均勻;更有甚者,在穩(wěn)定大氣條件下,坡頂上的風(fēng)更可能出現(xiàn)負(fù)剪切的情況,也就是說(shuō),高度低的風(fēng)速高,高度高的風(fēng)速反而低。
復(fù)雜地形負(fù)剪切風(fēng)速
值得注意的是,還有一些極端情況,由于機(jī)位限制或者施工條件限制,風(fēng)機(jī)不得不部署在山脊背后,此時(shí)風(fēng)況將會(huì)變得更加惡劣,如下左圖所示那樣,風(fēng)吹過(guò)山坡后,由于分離效應(yīng),使得山坡后的風(fēng)產(chǎn)生非常大的旋流和湍流,甚至存在著氣泡;如下右圖所示,若將風(fēng)機(jī)立于此地,風(fēng)機(jī)將經(jīng)受極端異常的嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)。
風(fēng)機(jī)在山坡不同位置的風(fēng)況
舉個(gè)實(shí)例,下左圖描述了某風(fēng)電場(chǎng)某機(jī)位風(fēng)剪和風(fēng)速的分布,可以看到風(fēng)剪切大部分情況都在0附近,極端情況可能低于-0.2,而一般風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)是按照+0.2進(jìn)行載荷校驗(yàn)的。風(fēng)剪越負(fù),則代表了風(fēng)機(jī)的疲勞載荷越大,且很可能帶來(lái)葉片與塔筒凈空不足的問(wèn)題。
下右圖則描述了該機(jī)位風(fēng)剪與風(fēng)向的關(guān)聯(lián)性,可以清晰看出,在30度和100度附近,風(fēng)剪切明顯偏向負(fù)值,這兩個(gè)風(fēng)向正好也是朝向陡坡。
某風(fēng)電場(chǎng)某機(jī)位風(fēng)剪切系數(shù)與風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)聯(lián)性
必須提示的是,入流角的變化,也是復(fù)雜地形帶來(lái)的一個(gè)危害。比如,下圖所示的某風(fēng)電場(chǎng)入流角與風(fēng)向的關(guān)聯(lián)性,從地勢(shì)平坦方向來(lái)流的風(fēng),入流角集中在2至8度之間,沒(méi)有超出一般設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)采用的8度入流角;而當(dāng)從陡坡方向來(lái)流時(shí),入流角大約在10 度附近,超出風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
某風(fēng)電場(chǎng)入流角與地形的關(guān)系
所以,復(fù)雜地形所帶來(lái)的復(fù)雜風(fēng)況,超出了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的標(biāo)準(zhǔn)和極限范圍,給風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度、壽命以及發(fā)電性能帶來(lái)很大的危害。
接下來(lái),要看看復(fù)雜地形的風(fēng)對(duì)風(fēng)機(jī)的危害了。
眾所周知,風(fēng)機(jī)靠捕獲風(fēng)能發(fā)電,捕獲風(fēng)能的同時(shí)也要接受風(fēng)帶來(lái)的載荷,而風(fēng)機(jī)是否能穩(wěn)定的發(fā)電20年,很大程度上取決于風(fēng)況的復(fù)雜程度。多種因素影響著風(fēng)機(jī)的載荷,包括絕對(duì)風(fēng)速、湍流、入流角、偏航誤差等等,而在復(fù)雜地形區(qū)域,這些因素往往都會(huì)大于目前風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)值。須要說(shuō)明的是,這些針對(duì)風(fēng)機(jī)而來(lái)的影響不是單方面、單因素的,往往是各種因素加和產(chǎn)生的影響。
較為明顯的危害是,復(fù)雜地形下容易出現(xiàn)的大入流角會(huì)造成風(fēng)機(jī)風(fēng)輪平面受載不均衡,如下圖已經(jīng)說(shuō)明了這一點(diǎn)。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō),入流角過(guò)大產(chǎn)生的危害和風(fēng)機(jī)風(fēng)輪不對(duì)風(fēng)的危害類似,容易使主軸承受異常的不平衡載荷,造成軸承、齒輪箱和彈性支承的損壞。
不平衡載荷
另外,大負(fù)剪和大湍流的結(jié)合會(huì)加速偏航系統(tǒng)的老化,造成偏航齒圈損壞(見(jiàn)下圖),嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)造成機(jī)艙和主機(jī)架的損壞。