本项创新涉及一种新型风力发电机及其精确偏航技术。该设备集成了发电、控制、储能和偏航系统,发电系统包含加速涡管、整流装置及至少两台发电机,旨在提升风力发电效率和稳定性。
背景技术
在现有技术手段条件下,气候恶劣、风雪肆虐、后勤补给不足的极地地区能源获取方案主要有三种,分别为柴油发电、光伏发电、风力发电。柴油发电是目前极地地区应用最为广泛的发电形式,其具备可靠性高、输出稳定、按需调节等优势,但柴油发电必须以燃油为媒介,需要在极地地区建立配套储油设施,并要求补给船定期穿梭供油,会面临燃油凝固、航路阻塞、油气泄露等问题,且燃油发电时产生的废气废料亦会对极地脆弱的生态环境造成进一步破坏,正在被摈弃。光伏发电主要优势是环境友好,但其效率有限,占地面积巨大,而且一旦进入极夜工况,光伏发电机组将基本处于长时间停机状态,不但不会提供电能,反而会成为消耗电能的负载。相比之下,风力发电方案能够有效统筹二者优势。极地地区常年盛行高速风,且风向稳定,是建立风电场的理想地点,风机仅需一次安装,便可持续发电,不需要科考船反复补给,而且风机不受极夜影响,供电稳定;此外,风力发电全程不产生碳排放,对极地地区环境友好;基于此,风能这一极地地区的“特产”,逐渐走入学界视线。在极地,严寒使得本区高压带盘踞,盛行的极地东风带令两极地区变成“风库”与“风极”,风能优势在这里更加显著;南极地区年平均风速在17m/s以上,12级风暴在这里十分频繁;北极地区风速较之南极相对温和,但年平均风速也能达到10m/s,15m/s以上的大风相对少见;极地地区风能资源不仅丰富,而且分布广,技术可开发量约1000亿千瓦,占全球陆上风能资源的20%;北极的风能与赤道的光伏并称“一极一道”,南极更是被誉为“世界风极”。
不过,极地地区现行风电方案也面临许多隐患。首先,稳定的高速风虽然是风电机组梦寐以求的工况,但南极区域风速过大,每年8级以上的大风将肆虐300天,且极端风速频仍。澳大利亚莫森站于1972年记录到82m/s的超高风速,法国迪尔维尔站更是观测到每秒百米的疾风,这相当于12级台风的3倍,是迄今世界上记录到的最大风速。目前陆上风机停机风速普遍为20m/s,海上为25m/s,均无法适应极地工况,如此高的风速会将风机吹倒。若风电机组应用于中山站等可越冬工作站,尚能组织人员进行抢修;一旦应用于昆仑站等内陆工作站,只能等夏季科考人员返回时方可处理,这将严重影响科考站漫长冬季的能源供给,对尚在运行的天文、地磁等观测设备不利。其次,南极地区拥有33种、约6500万只飞鸟,其中不乏“漫游信天翁”等珍稀物种。高耸的风机在工作时容易将飞行生物卷入其中,对鸟类生命产生威胁的同时,也会影响风机自身安全性。最后,风机布置时要求两台风机相距至少为3-4倍叶轮直径,在极地地区采用过于分散的布置,将会极大增加安装、维护的难度与成本。再者,极地地区的大风裹挟着大量冰晶、沙粒,且湍流度大,对风机叶片造成巨大荷载,形成安全隐患。随着极地科考等活动的日益增加,必然要求能源供给和风机功率也增加,这就造成风机机组的高度和叶片长度的明显增大,随之而来的是机组受风载也迅速增大,易造成结构倾覆和供电事故。
综上,目前的陆上风力发电技术不能直接迁移至极地,如何提供适用于极地等恶劣环境的风力发电技术成为当下亟待解决的问题。
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实现思路