海上风电场面临哪些考验？

2018-01-11 09:49:08 来源:《科学世界》杂志　点击量：评论 (0)

安装并非是海上风电场唯一的难点。海上风电场的设计寿命长达20～30年，其工作环境比陆地恶劣得多。期间一旦发生故障需要维修的话，所需经费

安装并非是海上风电场唯一的难点。海上风电场的设计寿命长达20～30年，其工作环境比陆地恶劣得多。期间一旦发生故障需要维修的话，所需经费更是远大于陆上风电。如何保证风力机在复杂海洋环境和不同运行条件下的安全运转，并经受台风、严寒、腐蚀、雷暴的考验？这是海上风力机制造厂家和基础设计施工单位必须考虑的问题。

台风来了，风电场还能运行吗？

台风是我国东南沿海常见的灾害天气，其影响范围广、平均风速大、湍流强度高、风向变化快、持续时间长，对风电场有着惊人的破坏力。可导致叶片断裂、塔筒折断、机舱罩倾覆等。

目前我国在台风多发的南部海域建设的海上风电场较少，从陆上风电场的情况来看：2003年第13号台风“杜鹃”于9月2日在广东汕尾登陆，登陆时中心附近最大风力达12级，登陆点附近的风电场测得极大风速为57米/秒，其25台风力机中的13台受到不同程度的损坏；2006年第8号台风“桑美”8月10日在浙江苍南登陆，登陆时中心附近最大风力为17级，导致位于苍南的鹤顶山风电场28台风力机全部受损，其中5台倒塌；2014年第9号台风“威马逊”7月18日登陆广东湛江，登陆时中心附近最大风力为17级，导致徐闻的勇士风电场33台风机中的13台风力机倒塌，5台风力机完全损坏。

位于台风频繁海域的海上风力机需要采用抗台风设计：增加质量阻尼器，减少台风对风力机的振动；加强机舱罩，确保在台风期间机舱完好；加强风速风向仪的固定，使其在台风期间能够正常运行。当预报有强台风到来时，需控制风力机停机，叶片变桨至顺桨角度，并进入自动偏航模式实时以风轮正面对准风向，保证台风对风轮的载荷最小。台风过后，需检查叶片、机舱罩等是否出现损坏、发电机构是否能正常工作。即使没有台风预报，风力机自身的控制系统也能在风速过大（大于25米/秒）时切出，并停机顺桨进入防风状态。

不过，包括台风在内的热带气旋带来的大风，在不超过一定强度时可以给风电场带来较长的满发时段（风力机在额定风速与切出风速之间满负荷运行发电，大致为10～25米/秒），这是对风电场运营有利的一面。据统计，登陆我国的台风平均每年有6.6个是能够创造良好发电效益的“好台风”，3.5个是对风电场有威胁的“坏台风”。

极寒会对风电场有影响吗？

高纬度地区的海上风电场还面临着严寒的威胁。严寒会产生海冰，破坏风力机基础；水气（雨、雪、霜及海雾等）冻结在风力机叶片等部件上，影响风轮旋转；低温还会让风力机中各种材料（金属、橡胶与复合材料）和润滑油的性能下降。

▲面临海冰威胁的海上风力机

我国的海冰出现在冬季的渤海与北黄海沿岸，渤海的冰期一般超过3个月（12 月～翌年3月）。在冰期中，辽东湾北部海域覆盖有10～40厘米厚的海冰，漂流速度最大为0.5米/秒。大面积海冰会挤压冲击基础，并引起基础震动。水位变化时，海冰还会对基础产生上拔或下压效应。渗入混凝土基础表层的海冰在结冰时会产生膨胀压力，反复冻融会破坏混凝土。为此，位于结冰海域的基础必须设计抵御海冰的措施。

海上湿度较大，在严寒时叶片可能结冰，造成风力机发电能力下降，积冰严重时甚至可能导致叶片断裂。在高纬度地区，寒冷的冬季通常也是取暖用电高峰，而叶片结冰会损失年发电量1%～10%，极端地区甚至能达到20%～50%。为此，工程师们开发出了多种除冰方法，其中被动除冰是在叶片表面涂以特殊涂料，目前应用最广的是超疏水涂层，可降低叶片与水、冰之间的黏结性。而黑色烤漆可在白天借助阳光的热量除冰。此外，还有能够渗出可降低结冰点的抑制剂的概念涂层等尚处于实验室阶段的技术。主动除冰则是在叶片表面安装热电阻元件或加热叶片内部空气，使叶片温度处于0℃以上。高纬度地区的风力机一般需要结合主动加热和被动涂层的除冰能力。

▲用直升机为叶片除冰

低温还会让风力机各材料的性能下降。如果没有任何防护，风力机的最低操作温度一般是－20℃，而停机温度是－30℃。如果采用了抗低温的合金钢、密封的机舱以及各部件加热设备，则能让风力机在－30℃也能正常工作，停机温度可低至－40℃以下。不过，我国近海海域很少会有如此之低温。

在大海上如何防腐呢？

海上风力机及其基础通常由大量钢结构构成，对钢而言，海水是具很强腐蚀性的天然电解质溶液。海水对钢结构的腐蚀从本质上来说是一种电化学反应：钢是铁元素和渗碳体的混合物，构成阳极的铁元素被氧化形成铁锈，构成阴极的渗碳体发生氧的还原。保护钢结构同样要靠电化学，这就是让铁的电位处于相对高值成为阴极的阴极保护法。可以用还原性比铁更强的金属与钢结构连在一起，使其成为牺牲阳极遭到腐蚀，而作为阴极的钢结构得到保护。常用的牺牲阳极有镁合金、锌合金、铝合金等。还可以在回路中接入外加直流电源，将电流通向钢结构，使其成为阴极。

▲被海水腐蚀的基础

避免腐蚀的另一种常用方法是在钢结构表面施以由环氧树脂构成的防腐涂层来隔绝海水。目前，海上风电的防腐常将这两种方法结合起来，在涂料中加入大量锌粉或铝粉，成为牺牲阳极。一旦涂层的阻隔作用削弱，就用牺牲阳极来保护。

▲修补腐蚀位置

在海洋上方的大气中，离海面越近，空气的湿度和氯化物含量越高，容易形成悬浮在空气中的含氯化物的细微液滴，即盐雾。当盐雾与金属接触时，也会形成电化学腐蚀。也就是说，海上风力机的腐蚀并不局限在基础和塔筒下方与海水接触的区域，而可能发生在任何接触到海上空气的地方。这就是为何海上风力机的核心—机舱需要采取密封措施，避免外界空气进入。在陆上风力机中，机舱里齿轮箱和发电机的冷却系统依赖空气的流动。而在海上风力机里，其冷却所用的内部空气通过再循环来实现热交换，不与外界混合。同时还需要在机舱和塔筒内安装除湿装置，使得内部环境的湿度低于钢材料的腐蚀界限。

遇到雷暴怎么办？

近海地区强对流天气多发、空气湿润，容易形成雷暴。海上风力机矗立在平坦的海面上，同时水气和盐雾又会在叶片表面聚集，使得风力机易于遭到雷电袭击。最可能被雷击损害的部件是位于风力机最高点的叶片；风力机内部控制系统被雷电流干扰，会导致风力机不能动作或做出错误动作；雷电流还会在机舱内部金属间隙产生火花，引起火灾和爆炸。

风力机防雷最常用的方法是在叶片尖部及其下安装多个金属接闪器，让雷击时电流通过接闪器和叶片内置的引下导体传递至叶片根部及轮毂，引下导体继而连接机舱和塔筒，最后通过接地装置泄入海洋。为了避免电气设备被雷电流干扰，可以采用过电压保护、屏蔽措施和等电位连接方法。机舱内部各部件则需通过螺栓连接到底部的金属支撑架上，不与底盘相连的部件都与接地电缆相连，以尽可能防止火花。