“柔性智能叶片”成为风电技术的发展方向

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2、评价取得的进展和阶段性成果：我国陆上离地面50米高度达到3级以上风能资源的潜在开发量约23.8亿千瓦；我国5—25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度可装机容量约2亿千瓦。我国陆上风能资源主要集中在内蒙古的蒙东和蒙西、新疆哈密、甘肃酒泉、河北坝上、吉林西部和江苏近海等7个千万千瓦级风电基地。仅这些地区的陆上50米高度3级以上风能资源的潜在开发量就达18.5亿千瓦。　　面对如此巨大的风能资源，面对我国严峻的节能减排形势，为什么我国80多家风电设备生产企业大部分产能闲置？为什么会出现严重产能过剩？具统计至2009年我国风电装机容量仅2500万千瓦，风电占

3、全国的用电量还非常小，装机容量占可开发量就更少，为什么风电工程会沦落为“形象工程”？风电被称为“垃圾电源”？为什么风电的开发与需求产生如此大的反差？这些矛盾和问题的出现已严重影响到风电产业的发展。　　这些矛盾和问题的出现，追根溯源是风电技术的不适应造成的。我国在“三北”（西北、东北、华北）地区在建的有6个千万千瓦风电基地，现在还处于建设初期有些问题已突出表现出来，首先是装机容量大而发电量低；其次是并网难题无法破解；还有故障率高，维护成本大。这些问题主要是叶片性能造成的，现有叶片是参照直升飞机的叶片进行设计制造，MW级风电机叶片非常巨大，强刚性能要求很高，造

4、价高昂，具有很好的空气动力性能。在“三北”地区虽然多风，但大风毕竟很少，一般就是2~3级风，大一点4~5级风，6级风以上都较少，所以叶片的空气动力性能根本发挥不出来。风速低，空气动力性能弱，必然造成发电量低，这就是造成“装机容量大而发电量低”的主要原因。“三北”地区每年还有几次大的沙尘暴，在这种情况下，冲击电流很大，不可能并网，但刚性叶片风载很大，风电机受力不平衡，附加扭矩很复杂，对风电机产生摆动和振动，往往会造成故障和破坏。所以说叶片的空气动力性能该发挥的时候发挥不出来，不该发挥的时候却越来越强，只会带来破坏。　　并网稳定性差和高故障率是影响风电产业发展

5、的较大障碍，这个问题主要是由于控制系统的滞后性和叶片的强风载造成的。　　现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置，我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的，我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生的，偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1°/秒，90°就需要90秒的调整时间，在这么长的调整过程中，风轮叶片所受的风力角是完全不同的，也就是叶片所受的风力是变化的，必然造成风轮转速的不稳定，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风电机解网，造成电

6、网的不稳定。这种调节的滞后性在强风暴的气候条件下，往往会造成严重的后果，在高风速情况下叶片处于顺浆位置，若风向发生90°变化，就会使叶片完全处于大面积受风的状态，使叶片受力突然增大，叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击，巨大的风载也会对偏航装置造成冲击，造成变速装置和偏航装置的损坏，叶片也有可能被折损坏。　　下面我们对叶片性能进行分析，现有叶片是按空气动力学原理设计的，如同飞机的机翼，在微风状态下，空气动力性能肯定是很弱的，就像飞机速度低没有升力一样，这样必然造成微风发电性能差。在高风速状态下，叶片的空气动力性能不断增强，叶片性能不但不

7、能起到稳速稳频的作用，反而成了风电机不稳定和强破坏性的发源地，我们通过简单的量化计算就可知道它的危害程度。我们以1.5MW风电机为例进行说明，设计风速为13m/s，产生的能量为1.5MW，可转换为152958kgf·m/s，其能量核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s，而风的能量与风速的关系是三次方的关系，那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上，这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能，但任何控制系统都存在滞后性，不可能对叶片及时完全卸载，这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的，我们设计制造的变速装置

8、很大，强度也非常高，但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。为了避