一直以來,風(fēng)電都被視為重要的綠色電力來源之一。而不占用土地資源、海上風(fēng)力資源豐沛、沒有遮擋物、發(fā)電利用小時數(shù)高、更適宜大規(guī)模開發(fā)的離岸風(fēng)電已成為全球風(fēng)電領(lǐng)域的“潛力股”。但是,頻頻上岸的颶風(fēng)對離岸風(fēng)電廠來說實是一把“雙刃劍”:強度較弱的颶風(fēng)一方面可以給風(fēng)場帶來較多的“滿發(fā)”小時數(shù),增加發(fā)電量,提高風(fēng)場經(jīng)濟效益;另一方面,強度較強的颶風(fēng)會給風(fēng)場設(shè)備帶來極大的破壞。
2014年,中心風(fēng)力高達17級的超強臺風(fēng)“威馬遜”登陸海南文昌,文昌風(fēng)電廠3臺機組損毀,1臺被整體吹倒,2臺風(fēng)機葉片被吹跑;廣東湛江徐聞勇士風(fēng)電場15臺風(fēng)機被整體吹倒,3臺風(fēng)機葉片破裂、機艙破開,發(fā)動機掉落。從這些數(shù)字可以看出,颶風(fēng)對離岸風(fēng)電場的破壞性不容忽視。
為了提高風(fēng)機的抗颶風(fēng)能力,更好地提高風(fēng)場經(jīng)濟效益,需要深入研究颶風(fēng)對離岸風(fēng)場的影響,了解離岸風(fēng)機的最大承受極限,進而修改風(fēng)機設(shè)計,使制造商打造出更耐用與安全的離岸風(fēng)機。還要利用颶風(fēng)風(fēng)險評估,幫助開發(fā)商設(shè)計出更安全可靠的離岸風(fēng)場建設(shè)計劃等。
據(jù)了解,美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校(UMass)為了評估颶風(fēng)對離岸風(fēng)機的影響,已經(jīng)進行了計算機模型仿真實驗與離岸風(fēng)電結(jié)構(gòu)研究,希望全新評估報告可幫助廠商改良風(fēng)機設(shè)計。
對于紐約州、新紐澤西州、麻州等人口密集的大州來說,開發(fā)離岸風(fēng)電對地域有限的美國東海岸地區(qū)相當(dāng)重要。美國首座離岸風(fēng)電 Block Island 在 2018 年初正式運轉(zhuǎn),預(yù)估總?cè)萘吭?2022-2023 年才會達到 1GW,發(fā)展較為緩慢。
近年來,美國正在加速開發(fā)離岸風(fēng)電的步伐,如東海岸一個超過 10000MW 的離岸風(fēng)電項目正在開發(fā)中。若計劃進行順利將為美國東岸帶來龐大的電力。有發(fā)展就有挑戰(zhàn),颶風(fēng)經(jīng)過或直撲美國的機率比較大,東岸更是首當(dāng)其沖。
颶風(fēng)中的風(fēng)機為何那么不堪一擊呢?研究指出,颶風(fēng)登陸過程的突變風(fēng)向、瞬時風(fēng)速和極大湍流是推毀風(fēng)機的罪魁禍?zhǔn)住M瑫r,風(fēng)機的抗颶風(fēng)能力還與風(fēng)場的地形環(huán)境和風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法等有關(guān)。此外,颶風(fēng)往往伴隨很多極端的天氣(如強雷暴、強雨水等),這也會對風(fēng)機造成一定的破壞。
隨著2018 年沃旭能源啟動雙都卜勒雷達計劃,來研究臺風(fēng)、氣象動態(tài)對風(fēng)機的影響,UMass也開始著手研究颶風(fēng)與東海岸離岸風(fēng)電之間的相互影響,致力將風(fēng)機傷害降至最低。UMass土木與環(huán)境工程教授 Sanjay R. Arwade表示,人們知道如何分析鉆井平臺、風(fēng)電等離岸結(jié)構(gòu),了解怎么預(yù)測颶風(fēng)動向,但是過去很少有人整合這兩類數(shù)據(jù)。因此團隊正投入這項研究,比如評估狂風(fēng)對渦輪機的影響,固定式與浮動式風(fēng)機能承受多大的破碎波(breaking wave)等。
其中,臺風(fēng)引起的巨大波浪傳播速度較快,未登陸就會出現(xiàn)滔天巨浪。而海浪朝海岸前進時,由于海底逐漸變淺,波浪會變陡而破碎、形成不同方向的沿岸流。UMass 團隊為了研究破碎波對風(fēng)機的影響,繪制出了破碎波海圖,以及運用計算機模型來仿真未來颶風(fēng)和氣候變化的可能性。他們認為,了解風(fēng)機與環(huán)境的相互影響相當(dāng)重要。新型颶風(fēng)風(fēng)險模型將對風(fēng)機安全設(shè)計提供參考,幫助廠商們提升離岸風(fēng)機在長達20年的生命周期中度過各種環(huán)境天災(zāi)的能力。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者就近海臺風(fēng)登陸情況、臺風(fēng)影響下的極端風(fēng)速分布以及臺風(fēng)的破壞機理等做了系統(tǒng)性的分析和研究。行業(yè)專家指出,風(fēng)機的抗臺風(fēng)設(shè)計首先應(yīng)在結(jié)構(gòu)上做文章,如持續(xù)提高提高支撐結(jié)構(gòu)(塔筒與基礎(chǔ))的安全系數(shù),避免整體傾斜的顛覆性破壞;其次,結(jié)合風(fēng)機的運行狀態(tài),考慮風(fēng)向、湍流和變槳、偏航等控制參數(shù),進行綜合分析以應(yīng)對瞬時風(fēng)速;再次,根據(jù)風(fēng)場葉片的損壞程度,優(yōu)化葉片設(shè)計,增強其抗臺風(fēng)的能力;最后,開發(fā)智能偏航裝置,降低強風(fēng)所增加的機組載荷,如降低葉片、塔架負載等,提高風(fēng)機可靠性。