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助力双碳战略 风电大有可为 ——“十四五”能源领域科技创新规划解读

[《中国电力报》2022年05月18日], 国研网 发布于 2022/5/20


随着风电机组单机容量增加,叶片长度和柔性增加,气弹颤振速度逐渐降低,使得气弹稳定性成为叶片设计的重要约束条件。复杂海洋环境下1万千瓦级浮式风电装备多场协同缩尺理论及耦合动力学高保真模型试验方法。

国家能源局、科学技术部印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》(以下简称《规划》)指出,要构建现代能源体系,推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系。为此,要加快发展非化石能源,坚持集中式和分布式并举,大力提升风电、光伏发电规模,加快发展东中部分布式能源,有序发展海上风电。虽然,我国风电事业发展取得了举世瞩目的成就,但与世界能源科技强国相比,我国能源科技创新还存在明显差距。要实现引领能源革命,以下几项重要的科技问题亟待研究和解决。

聚焦关键零部件、核心材料研发,补齐能源技术装备短板

风电叶片占据风电机组20%的成本,是风电机组载荷主要来源和吸收风能的主要载体。《规划》指出要突破超长叶片、大型结构件等关键部件设计制造技术。与欧美主要风能强国相比,我国在风电叶片设计和性能验证方面仍存在差距,部分原材料仍然依赖进口,主要体现在以下几个方面:

一是目前我国风力机叶片设计主要采用欧美已开发的风力机专用翼型。然而,我国的风资源与欧美地区存在较大差异。鉴于此,有必要根据我国风资源特点,综合考虑“高效、低载、变工况性能稳定”等设计目标,有效降低叶片对雷诺数和湍流强度等环境条件敏感性,结合叶片结构属性和低噪音需求,开发适用我国陆上和海上风资源的新一代风力机专用翼型族,为1万千瓦及以上级别的大型风电叶片研发奠定基础。

二是随着风电机组单机容量增加,叶片长度和柔性增加,气弹颤振速度逐渐降低,使得气弹稳定性成为叶片设计的重要约束条件。百米量级大型风电叶片几何大变形引起的非线性振动极为显著,且湍流风况下气动力非线性效应加剧了非线性耦合动力学行为的复杂性,严重危害机组安全运行。针对大型柔性叶片研制面临的气动与结构非线性耦合效应复杂、气动弹性稳定性机理不明确等问题,迫切需要突破大型柔性叶片非线性动力学高效计算和颤振准确预测的关键技术瓶颈,揭示复杂风况下大型柔性叶片非线性气弹耦合机理和颤振影响的关键因素,发展大型柔性叶片气弹耦合多目标联合优化方法,掌握超长柔性叶片的颤振抑制技术。

三是大型叶片结构几何非线性和三维应力效应更加突出,叶片结构强度由中小型叶片的材料强度控制为主转变为材料强度、胶接界面、屈曲稳定性多种破坏模式的耦合作用。传统的壳体模型和材料强度判定准则无法准确预测叶片结构的承载力,需要发展包含复合材料三维渐进失效、非线性屈曲以及胶接界面失效的实体单元模型。在验证叶片可靠性方面,传统的小型试样级实验和全尺寸叶片实验无法兼顾快速、准确以及经济性要求,需要发展叶片结构部件级测试技术、方法以及规范。

四是在核心材料应用方面,风电叶片先进碳纤维材料仍然大量从发达国家进口,国产碳纤维占比较少;轻木芯材受生长周期、生态环境以及外部环境的影响,完全依赖从南美进口,且时常无法正常供应。针对大型风电叶片结构对碳纤维材料的个性化需求,开发低成本、性能适中、工艺稳定的风电叶片碳纤维材料,研究风电叶片碳纤维材料复合材料成型工艺,加强国产碳纤维在大型风电叶片上应用、测试与验证研究,促进国产碳纤维材料在风电叶片的大规模应用。在合成泡沫芯材基础上设计创新增强结构形式,开发新型结构芯材,逐步替代进口巴沙木芯材,实现叶片高性能夹心材料降本增效与可控供给。

拓展风能利用新方向,重点突破风能利用领域原创性技术

《规划》中指出“能源领域原创性、引领性、颠覆性技术偏少,绿色低碳技术发展难以有效支撑能源绿色低碳转型”,为进一步拓展风能利用宽度,解决分布式能源就地消纳问题,推进风能利用技术转型升级,亟须推广风能热利用技术。风热机组是一种可以替代燃煤锅炉供暖并提高风能消纳能力的变革性可再生能源供热技术。目前国内已完成100千瓦级风热机组样机示范,理清了风热机组能量转化与传递规律,验证了该技术路线的可行性。下一步亟须开展兆瓦级的工程技术研究及相关示范,优化配置、提高风能利用效率、应对未来发展需求,要重点突破风热机组以下几个科学问题:

一是风热机组一体化设计方法。由于“风热机组”为风能利用的新形式,风热机组能量转换过程涉及到空气动力学与热力学的学科交叉,与风力发电机组和热泵机组的设计理念有较大差异,需要构建空气动力学与热力学耦合系统模型,获得复杂工况下风热机组运行特性,形成风热机组一体化设计方法。

二是适用于风热机组的高效热泵循环技术。风能的不确定性和瞬时性以及热泵机组的热滞性,造成风热机组系统模型具有很强的非线性、不确定性和多干扰性,此外多元化的用户需求也受社会活动和环境气象条件影响,兼具周期性和随机波动特征。因此,需要研究适用于风热机组的高效热泵循环理论,以获得风热机组热力学优化方法。

三是风热机组优化控制策略。风热机组涉及风力机与热泵循环之间的优化匹配与动态调控,需开展典型工况下风热机组控制策略研究,揭示风力机与热泵系统耦合的有效控制机制,获得典型工况下风热机组控制策略与控制方法。

推动产学研用协同创新,攻克海上超大型风电装备研制

海上风电开发潜力极大,有望通过规模化发展(降低建设运维成本)和技术提升(机组大型化)最终实现平价。在国家重大需求的牵引下,亟须开展系列基础科学研究,为海上风电装备的自主研发提供基础理论支撑和关键技术储备。针对海上风电装备独特的服役环境和结构特征,应重点解决以下几个科学问题:

一是风—浪—流联合激励下1.5万千瓦海上风电装备气动—水动—伺服—弹性多体多场耦合演化机制。通过研究风—浪—流组合扰动下海上风电装备机组—塔筒—基础全耦合动态过程,揭示海上风电装备运行过程中能量捕获机制、运动响应特征与载荷演变机理,进而提出描述海上风电装备多体多场耦合演化问题的新理论。在此基础上,开发大型海上风电机组气动—结构—伺服—弹性一体化仿真方法,聚集有实力的科研院所、高校以及业内企业共同开发风电机组国产设计与认证软件。

二是复杂海洋环境下1万千瓦级浮式风电装备多场协同缩尺理论及耦合动力学高保真模型试验方法。为解决浮式风电装备缩比模型试验无法同时满足关键相似准则雷诺数(Re)与弗洛德数(Fr)条件的问题,有必要深入探讨浮式风电装备多场协同缩尺理论,发展耦合动力学高保真风洞和水池模型实验方法。在此基础上,进一步发展风电机组—浮体平台—系泊系统一体化仿真和设计方法,结合全尺寸时空多尺度多方位外场测试方法,有效指导1万千瓦级大型浮式风电装备的研制和示范。

三是超大型海上风电装备自适应协同控制理论与方法。通过研究海上风电装备在不同控制方法和系统状态参数下的动力学响应演化特征,揭示考虑多体多场耦合演化机理的协同控制机制。进一步发展以综合性能最优为目标的协同优化控制理论与方法,开发风—浪—流状态监测系统技术,研究适应性控制算法,实现超大型海上风电装备性能的精准预测和智能化控制,从而解决超大型风电装备效率、载荷与稳定性等综合性能平衡匹配的关键问题。

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