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解析多风轮聚能风电机组的形成优势

北极星电力网技术频道    作者:陈晓通   2010/8/4 16:56:02   

  所属频道:  风力发电    关键词:  风电机组 风轮 风电

概要
  多风轮聚能风电机组是由若干-众多个中小风轮分别单独形成乘风出力,再通过机械传动的方式实现“聚能”从而达成“巨能”,其可轻易达成5-10兆瓦以上的单机功率设计,并可通过联合并列建设形成“风电机组墙”提高因风电场宏观阻风升压效果形成的乘风出力效果,机组可形成双重、大范围、价值化运行调控,该技术路线形成的10大独特优势对于启动拥有中低风速风能资源的山地大规模风电建设将发挥难于替代的作用,因此导致风能的可开发容量、规模、范围、价值数—数十倍地提高,这将极大形成促进风电产业健康快速发展。

Many wind turbines combined equipment. It is made up of many independent small and medium sized wind turbine wind yield formation, and through mechanical transmission means to achieve huge energy, it can easily be more than 5-10 MW independent power design and construction through the establishment of a joint at the same time " wind turbine wall "to improve macro-control efforts to improve the impact of wind farm wind can form a large range of operating control value, low wind speed region in the construction of large-scale wind power plays an irreplaceable role, resulting in available wind energy development ability, size, scope, value several times to increase, which will greatly promote the healthy and rapid development of wind power industry to promote.

译文原意
许多风力发电机组设备组合,它是由许多独立的中小型风力发电机组风力产量形成,并通过机械传动方式实现巨大的能源,它可以很容易地达到5-10兆瓦联合成立的独立电源设计,可在同时建造更多联合的 “风力涡轮机墙”以改善宏观调控的努力,以改善风电场风力的影响,可以形成一个大的操作控制值范围,在低风速度的大型风力发电建设领域起着不可替代的作用,导致可用的风能开发能力,规模,范围,价值几倍增加,这将大大促进风力发电产业健康,快速发展。

前言

实现单机更大功率设计是风电机组各种效益形成方式中最为有效的手段。多风轮聚能风电机组(以下简称:聚能机组)是一种全新种类的特大型、大型或中型风电机组整机机型发明创新技术,其由若干-众多个中小风轮分别单独形成乘风出力,再通过机械传动的方式实现“聚能”从而达成“巨能”的技术路线别具一格,事实证明其还同时伴生出多重独特性能及应用优势。

背景技术催生聚能机组

水平轴叶桨迎风旋转式风电机组是当前应用最广泛、规格最齐全的机型,人们最初采用的风轮直径较小,中小型风轮具有选材、制造、运输、安装、维护、更换简单方便,叶片体态轻盈、造价便宜,风轮形态种类更是多样,有三叶型、多叶型、低风速型、高风速型、框架延边分布超薄多叶片型等。

中小风轮转速很快,偏转对风灵活,偏转对风与旋转扫风占用的空间均较小,但在有限的空间内叶片所能形成的有效乘风面积与乘风所能形成的出力转化能力的比值却是很高,尤其是采用“超薄多叶片型的低风速风轮”,其拥有更多的、密集的外围乘风叶片可形成更为强大的乘风力矩与旋转出力,可使较弱的过流风能获得十分充分的截流、转化、利用;但是中小风轮的多重优势性能在当前的大型风电机型中已经完全消失。

随着风电机组单机更大功率能力需求的推进使单个风轮的设计直径向着更大规格努力发展,但人们逐渐发现风轮放大在超出一定规格后导致的超长厚重叶片难于掌控,并使巨大扫风空间内风能的实际乘风利用程度与比例级速缩减,而通过增长叶片获得的出力增加量值也在急速萎缩,并迫使塔架持续加高,使风轮对风偏转占用空间过大,这些对于在山地运输安装与密集分布建设风电工程均形成了更多更大的问题。

聚能机组如何形成巨能出力能力

因传动轴制造简单,体小价廉,方便拼接串联,还可用钢管替代连接实现超长距离传动,且传动能力强大,传动过程少有能量损耗或形成气流干扰与风力阻挡,从而形成了聚能机组的主要功能与功效优势特点的载体。

  聚能机组采用的独特传动结构可使分散设置的各个风轮无论处在任何迎风方向及其变化时,均可将其出力以相同一致的方向及方式输送到动力汇集传动轴上,再通过汇集传动轴将分散动力叠加后集中输出,从而确保了在机组框架不动的情况下“由各个中小风轮单独出力与单独旋转对风”基础功能目标的实现  

           

  在动力汇集输送的过程中,首先形成横向的“一次汇集形态”(见示意图1、2),而将2排以上“一次汇集形态”横向上下排列再通过纵向传动轴汇集形成 “二次汇集形态”(见示意图3),通常无需“三次汇集”;上述两个汇集动力输出后可直接或间接与发电机或多发电机调控系统配合形成一级、二级聚能机组;还有一二级混合形态的聚能机组设计方案。

          

           
  在一级汇集形态中又可将各个风轮全部设在横向汇集传动轴的上部(见示意图1),或形成上下对称的设置形态(见示意图2),后者可使风力推力在上下两个风轮之间形成平衡并节省一半齿轮与框架,因此在二级汇集形态中应最多采用。或可将一级汇集形态形成上下多层独立设置形成立式平面排列,其无需二次汇集结构传动设置而其宏观形态却是与二次汇集机组大致相似。
  可见,聚能机组的形态就如同一张展开捕风的“大网”形成均布式捕风形态(实现最大程度乘风捕捉),并可将捕获的风能转化出力汇集集中输出,其形成的广泛、高效、密集的乘风形态最明显优势是将风电机组占用的每一块风力过流空间均得到高效能风轮的长期“固守”,从而实现风能时时刻刻的充分截流利用,并且能够形成高度密集的并列排列,其多数情况下采用的相对密集排列的超薄多叶片型风轮之间通常相互难于形成有效的气流干扰,因此可形成相对密集的并列排列设置;而各个间隔支撑的粗大塔架将演变形成增强风轮存在空间面积内气流过流强度的作用(而非形成阻挡与干扰气流的作用)。  
  这一优势形成的巨大作用与现实价值是“可在几个足球场甚至几个篮球场的建设面积空间内形成的风轮实际有效乘风面积与出力转换能力,与特大直径风轮机组几到十几平方公里建设分布面积内实现的有效出力能力效果相同”,这就为在山区山顶十分有限的地域面积条件下规模化发展风电提供了最为有力的可装机容量发展空间的理论基础数据与规模化发展容纳能力的技术依据。
  10个方面独特优势性能呈现
  ①多形态适合多元化建设
  一级聚能形态形成“一字型聚能机组”,其可满足以海堤、海岛、山顶、楼顶为基础的最简单的配合建设;二级聚能形态形成“平面型聚能机组”,其适合山顶、山口、平川、海上建设。
而将“平面型聚能机组”形成连续密集的并列建设方式是否与我们心目中梦寐以求的“风电机组墙”的形态十分相似?即:一个风电场只采用“无间隙并列建设一道机组墙”的方式,其通过联合密集风轮集体阻风形成的宏观阻风升压效果将进一步强化各个风轮存在空间内气流的过流强度实现提高风轮乘风出力的效果,这对于山顶建设方式来讲更加重要,其可在一个狭小的建设空间内形成与当前平川风电“前后层层排列”建设方式更高成效的乘风出力效果,而对于平川采用该建设方式将消除叶片尾流效应的相互影响。
  ②多样化实现巨能化设计
  一级聚能出力不一定就小,可通过安装风轮的类型(如采用具有极强乘风出力能力的超薄多叶片低风速型风轮,见示意图示意形态)、规格、数量等形成出力影响因素进行排列组合调整设计;或者实现2个以上一级聚能的上下叠加设计形态,实现“结构形态×能力需求”的双向满足与形态适应,因此聚能机组还有别名【多形态巨能风电机组】。
一级聚能机组的横向长度可轻松达到上百米-数百米,二级立式聚能机组的纵向设计高度可达十数米-上百米。在其上可方便汇集数个、十数个、数十个、上百个20-50-100-200-300千瓦的中小风轮形成共同集中出力,因此聚能机组可轻易达到3-5-10-15兆瓦及其以上各种单机出力能力的设计。
  ③启动风力强度大幅度降低(最高程度出力转化)
  风机最低启动风力强度值的形成大小决定其可以利用自然界风能的时间长短与投资效益与形成价值的高低。聚能机组上的各个风轮出力均将汇集的出力形成方式彻底改变了对于风机启动风力的评价理论、评估方法、设计方式。即:如果安装的某一功率需求值的各个中小风轮的启动风力均是2-3级风力,那么拥有上述数量的风轮汇集动力叠加共同驱动一个5-10-15兆瓦聚能机组启动的风力即为2-3级。因此我们如果在聚能机组上大量设置超薄多叶片低风速风轮并实现汇集聚能出力的结果,将导致“高效规模化开发拥有中低风能资源地区风电时代”的来临。
  ④价值化的双重调控方式(最佳程度适应变化)
  价值化运行调控即是通过与风力变化的适应性调控手段实现机组获得乘风出力能力与利用时空长度最大化的目标。聚能机组通过多发电机调控系统(见示意图3地面设置)实现机组消减负荷与增加出力的变化可实现在超低风力强度下投入运行,又可通过逐步增加发电机的投入数量的方式实现在强风下成倍调增发电能力。聚能机组也是“以价值化调控为主线”进行的,其还可通过配合采用将其上安装的部分或全部风轮在超强风力时刻进行逐步分步偏转泻风减力与完全避风的操作实现整体减小出力的调控效果,并实现与多发电机调控系统形成梯级出力过渡性的配合调控。
  ⑤低成本制造、方便运输、起重安装
  聚能风电机组绝大多数传动系统结构是由简单轻巧可靠的中小齿轮与传动轴杆形成,因中小风轮的旋转速度很快可在各汇集传动的结构中完成传动比的设计,无需巨大加速齿轮箱的配置,其多发电机系统的地面设置方式无需高空起重吊装,其宏大塔架可实现分散组合化制造,因此均可通过人拉肩扛,简单起重机械与工具实现运输、吊装、安装,易于在山地运输安装与高空吊装,无需向山顶运输特大起重设备进行吊装施工。
  ⑥抗击恶劣风力能力强大
  聚能机组上安装的中小风轮叶片力矩不大,并且中小风轮总体重量大幅度降低,几乎没有超大悬空力臂重量,具有天然的抗击恶劣风力的能力,在破坏性风力下可通过遥控调控将全部风轮侧向偏转回避强风破坏(与出力调控方式一样,因此可进行一体化结构设计)。
  ⑦使风电质量大幅提高
  聚能风电机组多叶片小直径风轮更加彻底消平“塔筒效应”的不稳定起因。且众多风轮一同迎风出力与集中汇集出力的形成方式与巨大惯性也将大幅平衡与消解因自然界风力瞬间或局部变化导致的运行不稳定的发生程度,或削平电流、电磁波动的影响(尤其是在新的风电并网标准采用后,对于机组稳定性与可实现有效调控能力的要求问题更加严重影响竞标业绩)。
  ⑧故障形成因素大幅消解
  聚能机组属各种常用成熟材料、成熟产品部件的优质化结构合成,调控与运行方式简捷常用、稳定可靠,数据清晰可靠,其整体组成结构设置使局部承载力分散降低。各个风轮对风旋转过程无需携带电线电缆消除的扭动性破坏故障,因此大致无需进行长期运行验证即可大规模实际建设。
  ⑨使风电投资效益极大提高
  最直接显著的同比节省比较是聚能机组通过一个简单的中小齿轮组即可取代一个单独设置运行的中小发电机的成本且大型发电机形成的效率将更高,并可形成整体调控效果,中小风轮的制作与运输安装成本也将成倍降低,各个小规格齿轮部件体积不大,加工简便,价格低廉。
  ⑩形成机型间宏观应用互补
  如果说【立轴巨能风电机组】只能适合于大、特大型风电工程建设应用范畴 (或是其可以方便地实现对于现已建    设安装完成的风电机组在保留原来塔架与基础的情况下只需更换其头部结构进行立轴巨能风电机组形态性能的技术改造)的话,那么聚能机组将形成难得的建设领域、形成能力、应用方式的互补,其可形成很大的功率能力设计范围,机组整体形态更可多样化,适合在城市、乡镇、山地建设大、中、小规模的风电工程或者形成风光电互补电力系统中应用。
  形成风电全新估值与发展机会
  聚能机组的上述形成优势无疑导致风能的可开发容量、可开发规模、可开发范围、可形成价值数倍——数十倍地提高,其将使风电在各种电力能源形成方式中的“权重”大幅度提升,而从可发展空间容量角度及可持续发展资源容量的估值角度看,采用聚能机组形成的“聚能风电”的装机容量与发电能力未来有望超过煤电、水电、核电成为首位,而其上网电价或许也是最低的,这也将引发风电全新发展预期、发展方式、发展规划、发展步骤的思考变化。
例如:在海上风电建设与其形成现实规模化供电能力遇到的重重困难短期难解、戈壁风电大规模远途输电种种难题一时难消的“当下”,利用聚能机组的10大形成优势规模化快速启动“拥有中低风速风能资源的广大中南部省份的山地风电开发建设市场”或将成为潜力更大、范围更广、建成更快,投资更省、收益更高,后劲更足的风电全新发展目标。
  在上述区域发展聚能风电具有电力负荷集中、电网规模大、输电距离短、电力需求旺,上网电价高,山顶山谷风力稳定,少有风沙与高寒伤害,就近还拥有大量水电站可形成季节与时刻“风水峰谷互补调控”的故有配套电源,从而形成无与伦比的规模化发展风电的全景式优质宏观环境,这与欧洲风电采用的“分散上网、就地消纳”的成功方式与建设环境大致相同或者更加优越,因此“聚能风电”有望率先形成最具优质化、价值化、规模化的风电供电能力。
可见,本文前面的各个功效优势描述论述的出发点与立足点在后面的结尾目标中实现了体现,即聚能机组的形成优势对于启动山地风电开发建设将发挥难于替代的独特作用,而其在面对重重困难的海上   

  风电的形成优势与解
  决方式的形成效果上同样是难于替代的,其可通过“平面型聚能机组墙”的T、Y、Z、△、口等宏观形态框架的联合建设与相互依靠形态实现大规模海上风电建设机组整体结构稳定性的保障,并可通过多发电机调控系统的形成功能与其低位设置取得更加优质化的建设成效。

来源:北京聚能风电技术中心
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