优化气动外形增加叶轮直径采用高科技涂料让“大风车”在世界屋脊上立住站稳

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优化气动外形增加叶轮直径采用高科技涂料让“大风车”在世界屋脊上立住站稳

2023-08-24 06:14:51 来源：

科技日报记者何亮

向云端，山那边，水里面……盛夏时节，坐落在我国西南边陲的一个偏远县城——西藏自治区山南市措美县一片祥和。这里天空蔚蓝、雪山连绵、江水奔腾，圣洁的雪域高原吹拂的浩荡长风经年不息。

(资料图)

8月3日，海拔5000多米的措美哲古风电场迎来了它的“高光时刻”：5台单机容量3.6兆瓦的风力发电机组威武矗立，喜马拉雅北麓的山风呼啸而至，带动叶片徐徐旋转化为电流，转瞬间并入电网，点亮万家灯火。

“这是西藏自治区首个超高海拔风电开发技术研究和科技示范项目，也是首个并入西藏主电网的风电项目。”三峡集团措美哲古风电场项目负责人王亮告诉科技日报记者，此次投产的3.6兆瓦风电机组是目前我国超高海拔地区已投产容量最大的风电机组，待风电场项目全部投产后，年发电量将超过2亿千瓦时，可以满足周边近14万个家庭一年的用电量。

青藏高原的优质风能不可辜负

措美哲古风电场的风机建设在海拔5000米至5200米之间，总装机72.6兆瓦。为何要坚持在世界屋脊建设风电场？王亮的回答言简意赅：这里的风能资源不可辜负！

打开中国地形图，辽阔的青藏高原引人瞩目。这里的山脉多呈东西走向，地势由西向东降低，地面海拔高程伴随纬度的升高发生急剧变化，更加助长了西风的强度和频次。

气象数据显示，青藏高原有着丰富的风能资源，西藏自治区风能蕴藏量约为1.9亿千瓦，居全国第八位。风能资源在每秒7米以上的区域约占青藏高原总面积的30%，主要分布于海拔4800米以上的高山地区，技术可开发量约1.8亿千瓦。

“目前，西藏自治区的电源结构以水电和光伏为主，水力发电量占总发电量的89.81%，太阳能发电量占7.73%。”王亮表示，西藏的电能还有着“夏盈冬缺、昼盈夜缺”的特点。

由于西藏自治区基础电源都是水电和光伏电，因此在冬季来水偏少的情况下，会有一定程度的缺电。同样，光伏电站也是白天日照充足的时候发电量大。而措美哲古风电场发电量最大的时候往往是在冬季，夜间用电的高峰期也恰是风机发电最多的时候。“所以，措美哲古风电场的建设，可为改善西藏电源结构起到积极作用。”王亮说。

建设高海拔风电场面临诸多难题

海拔5000米，已经接近超高海拔与极高海拔的临界点，其气流条件、气压条件和气候条件都对机组性能提出了更高的要求。建设高海拔风电场，面临着诸多难题。

业内流行着这么一句话：高海拔地区的风“有气无力”。这是因为风能大小与空气密度成正比，而高海拔地区空气密度低，因此与平原地区同等风速条件相比，这里的风机转速更慢，发电功率更低，总结成一句话：“风大，但带不动。”

不仅如此，高原地区风速变化快，有时早晚风力小，中午却刮起超强大风。风速的剧烈变化导致风机功率波动较大，不仅有损机组的核心器部件，还对平稳发电造成不利影响。此外，气压低的高海拔地区散热条件差，这就容易导致风机轴承过热，降低机组使用寿命。有时，风机还会面对冰雹、雷劈等极端气候条件。在超高海拔环境中，还有紫外线强度高、高低温变化剧烈、风沙雨雪冲刷频繁等问题，这都对风机叶片性能提出了更高要求。

在大家的印象中，风机总是慢悠悠地旋转，殊不知，风机叶片前缘的运动速度有时可以达到高铁的时速。

青藏高原地区的风机经常遇到气流干扰现象。王亮告诉科技日报记者，就像大家平时坐飞机遇到气流干扰时一样，高速运动的风机如果遇到气流干扰，同样会发生颠簸，这会影响发电效率。

建设高海拔风电场，施工也是个难题。一些施工机器也会产生“高原反应”，出现降耗降容的现象，比如起吊机械时，由于氧气不足、燃烧不充分，导致施工设备无法达到与平原地区相同的出力效果。

技术创新“治好”风机“高原反应”

在如此高的地方建设风电场史无前例，这意味着无经验可循、无技术可依。依靠技术创新、设计优化，措美哲古风电场项目成功实现了在超高海拔地区高效率发电。

针对高海拔环境，措美哲古风电场的机组选择了叶片长度更长的风机产品，加大机组扫风面积，增强捕风能力。王亮为科技日报记者打了一个形象比方：“如果说平原地区的风是一碗米饭，那么高原地区的风就是一碗稀饭，我们要通过把碗变大来‘喂饱’风机。”因此，措美哲古风电场机组的叶轮直径较其他地区的同等功率机组增加了20米左右，使其扫风面积增加了近30%，相当于多出11个篮球场那么大的面积。

针对高海拔地区恶劣的气候环境，在风机叶片研发过程中，项目团队在叶片表面采用高耐候性、高耐磨性、高弹性的胶衣及面漆涂层，以延缓叶片老化。“如果说低海拔地区机组叶片穿的是普通棉服，那么高原机组的叶片穿的就是高科技冲锋衣。”王亮表示，这样的设计能最大程度地保护叶片，抵御恶劣环境，保证机组的质量和运行寿命。

针对西藏空气密度较低这一特点，项目团队优化了叶片的气动外形设计，提高了叶片对气流的适应性，从而稳定了机组的功率输出。

“为了解决施工建设难题，在措美哲古风电场项目中，我们借助数字技术，最大限度地扭转了自然环境带来的困局。”王亮告诉科技日报记者，项目团队利用智慧风场的数字化和智能化技术，实时监控现场天气情况和机组运行情况，做到提前预警潜在故障，提前准备备用器部件，最终在无人值守或少人值班的前提下，降低了故障率、提升了发电量和经济效益。

不仅如此，高海拔地区的风机寿命一般要比平原风机的寿命短。但是，由于采取了一系列独特设计，措美哲古风电场的高原风机寿命已经达到和平原风机同等的水平，即20年以上。

从海洋到陆地，从平原到高原甚至沙漠，近年来，我国持续推进大型风电光伏等可再生能源建设。截至2023年上半年，全国可再生能源装机达到13.22亿千瓦，同比增长18.2%，历史性超过煤电，大约占到我国总装机的48.8%；其中，风电装机3.89亿千瓦，上半年发电量4628亿千瓦时，同比增长20%。

三峡集团董事长、党组书记雷鸣山表示，西藏措美哲古风电场成功建设，为后续超高海拔地区“基地化、规模化、集中连片”风电开发奠定了良好基础，对我国超高海拔风电开发建设和地区经济社会发展都具有十分重要的意义。

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优化气动外形 增加叶轮直径 采用高科技涂料 让“大风车”在世界屋脊上立住站稳

优化气动外形增加叶轮直径采用高科技涂料让“大风车”在世界屋脊上立住站稳