風力發電機的安全與創新對策

劉展程

（廣東海洋大學，廣東 湛江 524003）

風力發電機的安全與創新對策

劉展程

（廣東海洋大學，廣東 湛江 524003）

隨著常規能源的消耗和儲存量的減少，利用可再生能源的話題再次成為2017年許多國家主要關注話題。其中風力發電是可再生能源中最成熟而又最具經濟效益的一種，世界多國都對風力發電高度重視。我國有良好的風力發電自然條件，然而技術卻還處于較劣勢的地位。本文闡述了風力發電機的歷史、現狀以及未來趨勢，并通過數據分析了發電機關鍵部件的安全性能。另外針對風力發電的現狀提出了創新性的對策。

風力電機發展歷；安全性；創新對策

1 風力發電機的安全運行

1.1 風葉疲勞強度分析

葉片的疲勞破壞是葉片工程結構和機械失效的主要原因之一。材料在循環載荷作用下產生的損壞和破壞，以及在周期應力或應變的反復作用下發生的性能改變，都稱之為疲勞。疲勞壽命是鑒定材料是否可以繼續安全使用的指標，當中約90%的疲勞損傷壽命都是消耗在了風機葉片裂紋萌生和擴展狀態。萌生的裂紋要經過不斷擴張、合體和干涉，當形成了足夠長的裂隙時候，風葉的橫向斷裂將會形成，毀滅性的葉片破壞由此產生。

計算好疲勞損傷，防范于未然，預測葉片的安全期，做好及時返修，及時更換新的零部件，其中為某危險點的疲勞損傷公式。另外，風機常年在外惡劣環境使用，20年是一個界限，需要特別的關注，葉片上某危險點在20年運行的疲勞總損傷為：

1.2 風葉斷裂的原因及解救措施

復合材料斷裂主要以兩種形式出現，一是面內斷裂，二是層間開裂。在此，我們談論一下造成風力機風葉斷裂的因素及其避免保護、維護方法。

鑒于風力機運行環境的復雜、惡劣，層間失效和斷裂現象屢屢發生，個別意外也在人類的非控制范圍內，因此我們只能在葉片的設計、生產、運輸等多重產業鏈中加以嚴格控制，最大限度地降低層間及斷裂失效帶來的破壞。另外，通常會采用脫層的抑制方法來控制層間失效，具體措施為：采用邊界帶帽、縫補等方法的“邊界增強”；不引起增加自由邊界時改變其性質的“邊界改變”，如層片終止、切口。

此外，根據資料顯示，大部分風葉都在靠近葉片的根部或者距離葉尖1/3處被折斷。造成此破壞的原因在于風機工作時風向的變化不定，引起葉片產生不同方向、形式的運動，以及或平行或垂直葉面方向的振動。根據結構力學，此類的風葉的振動屬于連續參數系統，其時間域上的每一點均滿足以下運動微分方程：

由上式可知，外界所施加的力以及系統內部質量、剛度和阻尼，都是與變形有關的變量。要想減少振動帶來的破壞，可以通過改變系統的質量、剛度和阻尼，以此控制系統的形變在安全范圍之內。

1.3 雷電擊的保護措施

作為超過150m的高大建筑物，風力發電機組建造一般選址在空曠的地方上，雷電對風力發電機組的危害絕不能小視。雷電感應和雷電波的侵入是造成電氣設備、控制系統和通信系統損壞的主要原因之一，因此，風力發電機組避雷系統應針對各種危害采取相應的保護措施。

（1）風輪葉尖的保護。系統在風輪葉尖處設有接閃器，由雷電導流架下引線連接到輪轂和鋼架組成的等電位連接導體。從風機到機艙底座，是通過電刷來連接的，雷擊時，連接主軸與軸承座的電刷可將瞬態電流不經軸承而安全地轉移到機艙底座進入接地網。

（2）電源系統的保護。在各部件與電源連接的交接處，通過SPD對有電源的線路進行等位連接，以此保護風力發電機的電源系統。通常，整個供電系統的過雷擊保護會采用三層防護措施，首級使用防雷擊電涌保護器；次級采用電涌保護器；末級則選擇終端設備保護器。保證各級連接無誤，做到相互配合使用，就能有效降低電源遭受電擊破壞的機率。

1.4 葉片抗沖擊分析

風力機一般安裝在海邊或者海邊周圍風力資源豐富的空曠地方上，其所處自然環境惡劣，甚至經常受到冰雹、砂石的沖擊，加之風力機葉片主要采用脆性大的熱固性樹脂基體的復合材料，盡管在低速低能的沖擊下，也會對其造成莫大的損傷，而高速高能下帶來的將會是毀滅性的嚴重后果。因此，葉片的設計特別需要重視風力機的沖擊現象，在結構設計上就要著重考慮增加結構的吸能性能和耗散能特性，使該結構能充分吸收耗散沖擊能量，具體的設計應注意以下的方面：（1）在滿足剛度要求之下，充分提高彈塑性變形能，盡可能吸收更多沖擊能量，最后再緩慢釋放。（2）在復合材料的鋪層中要加大能有效吸收耗散能的結構阻尼。（3）PVC夾芯或Balsa木芯是擁有高效吸收特性的材料，故在葉片設計中應注意加大采用夾層結構。（4）沖擊往往對葉片的邊緣造成的損傷最大，因此邊緣務必采用多層防護的設計原則。（5）利用殘余響應譜，控制沖擊響應。

2 風力發電的現狀與創新對策

根據《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》要求，到2020年實現非化石能源占一次能源消費15%的目標。因此國家制定了能源發電規劃目標，預計到2020年底風電開發并有效利用的電量達到250GW。因此未來5年風電裝機的CAGR目標，將完成超過20GW的新增裝機容量。

2.1 風電“上網”難，與電網缺乏協調

在風力資源豐富的我國，風電場建設很多，但由于風力資源具有隨機性和間歇性，風力發電自身不穩定，若電網企業為了使風電入網后減少對電網系統的巨大沖擊，就不得不作出建設發電量兩倍的調峰電源、增加成本的犧牲，也因此，電網企業“聯合風電”的積極性不高。電網企業風電上網的成本急劇增大，國家補償不足，電網企業缺乏積極性。

2.2 風電發展勢頭強勁卻“棄電”率也高

從2015年年底以來，我國風電發電量保持持續增長的強勁勢頭。進入2016的前三個季度，風電發電量累計增速達到25%，而在夏季的用電高峰期同比增速達43%。截至2016年9月，4.36%的風電滲透率已遠超于過去一整年的3.33%。然而快速的增長下，棄電率也持續攀升。根據國家能源局統計數據顯示，2015年我國三北地區的棄風率均已達到高位，甘肅、吉林、新疆等地區甚至達到30%以上，到2016年上半年上述地區棄風現象仍有加劇傾向。

2.3 企業不良競爭，技術靠進口

盡管我國風電裝機容量在全球排名靠前，而且裝機容量還逐年快速增加，然而技術問題仍是一個短板。我國風電機企業主要通過引進技術、聯合開發、合資生產完成風電整機的制造。

國家大力扶持風力發電，首先，需要出臺新的相關調峰補償的政策，兼顧保證風電企業以及電網企業雙方利益，確保風電“發得出，也能送得出”。第二，中國可再生能源學會風能專委會秘書長秦海巖說過，“電價政策作為最重要的激勵手段，在風電發展中起到了至關重要的作用。”因此，國家職能部門在合適的時候，出臺有關稅率和用戶電價的調整方案，是能保持強力增長和“棄電”降低的重要措施。“科教興國，人才強國”，就是要求培養出獨立思考的人才，能創新開發新產品的人才。國家應設立專項資金，獎勵、推進風力發電的技術創新。

3 結語

風力的利用促使社會文明的進步，使用清潔、可再生的能源更是這個時代的趨勢。風電作為目前我國非石化能源中占比最大，持續增長率最高的能源，成為我國今后10～20年間重點發展的能源對象。風電持續穩定、安全可靠地運行以及發電技術的進步與創新，是我們需要不斷努力的方向。

[1]王同光，李慧，陳程，葉婷婷.風力機葉片結構設計[M]. 北京:科學出版社，2015,309-310.

[2]黃群武，王一平，魯林平，朱麗.風能及其利用[M]. 天津:天津大學出版社，2015,119-11.

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