中国南极泰山站极寒地区风力发电机供电系统

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中国南极泰山站极寒地区风力发电机供电系统中国南极泰山站极寒地区风力发电机供电系统，中国南极泰山站于2014年2月8号在南极建成，位于中国南极中山站与昆仑站之间的伊丽莎白公主地，坐标：东经76°58′，南纬73°51′，海拔高度2621米。

目录

一、背景

中国南极泰山站于2014年2月8号在南极建成，位于中国南极中山站与昆仑站之间的伊丽莎白公主地，坐标：东经76°58′，南纬73°51′，海拔高度2621米。距中山站约522公里，距昆仑站715公里，距格罗夫山85公里，距埃默里冰架接地线220公里，距离查尔斯王子山资源区370公里。伊丽莎白公主地位置表面地势和冰下地形平坦，坡度约为0.35度，冰体厚度超过1900米，冰盖底部无融化现象，冰盖水平流动量小，冰川运动速率在20米/年的范围内。泰山站年平均温度在零下36度，极低温度接近零下60度，虽然风力资源丰富，但是属于高风速区域，极端风速超过50/s，自然条件非常恶劣。

我们国家为了减少用电对南极环境的影响，提出采用风光互补的微网系统给泰山站的科研人员以及相关的科研设备提供所需的电能。最大程度的降低碳排放量是泰山站建设及使用过程中的一个努力方向。目前已建的南极科考站所用的能源都是靠柴油及火力发电机使用低温柴油燃料而产生的。这些燃料全部依赖外部运送，不仅成本高，而且每次运送的数量也很有限，更重要的是，使用柴油发电，对南极的环境也会产生不良的影响。因此采用风光互补的微网系统供电站对实现节能减排具有重要意义。但由于自然条件恶劣，在这类区域安装风光互补的系统，需要克服很多技术难题；尤其是中小型风力发电机的安装运行是项目突破的重点。青岛安华新元风能股份有限公司承接了这个任务开始着手研发。

二、应用案例

1.项目概述

2018年，低温大风版风机样机研制成功。在第35次南极考察期间，通过南极考察船运抵南极泰山站，在南极泰山站先安装运行了2套5kW变桨距风力发电机，进行实地大风低温的验证，风机运行平稳；于是在2019年第36次南极考察期间追加安装了2套5kW变桨距风力发电机，同时完善光伏系统的安装和调试，泰山站新能源60kW微电网系统搭建完成。其中风电系统功率20kW,光伏系统功率40kW，实现了夏季完全依赖新能源供电的目标。在夏季有人值守期间，实现了科考队在泰山站的夏季科研过程中可以完全使用新能源供电，在冬季无人值守期间，一直由新能源微电网发电系统提供电能。在4月到10月期间的极夜阶段，则主要依靠我公司提供的4套5kW变桨距风力发电机发电系统为科研仪器和站区配套设备进行供电。由于风力资源丰富，风力发电机年平均发电量在6万度电以上，加上光伏的发电量，基本实现了泰山站的零排放。在这次建设过程中，泰山站采用了我们拥有自主知识产权的南极版极寒大风区域的风力发电机，此型号风力机的技术水平处于世界领先水平。

三、技术要点

基于南极极端的气候条件，用风力发电系统来供电，对风力发电机设备的技术及品质要求很高。必需要解决三个重要的问题:

1、低温。常年低温，而且极端低温会达到零下60度，这对风力发电机系统的材质提出很高的要求，并且相关的生产工艺也需要达到更高的要求；

2、大风。通常一起风就是风暴，持续大风状态下，如果采用常规的设计是没有办法保证风机的安全正常运行。

3、冰厚。泰山站冰层厚度达到1900m，在冰上安装风力发电机，安装基础需要进行特殊的结构设计。

针对以上问题，我们组织公司骨干力量进行科技攻关。第一个需要解决的低温问题，首先结合IEC61400-2的国际标准，对风力发电机的强度进行设计，再结合强度设计，选择适用于南极的一款低温合金材料，最后对低温材料的特性进行结构设计，并制定了低温合金材料的焊接工艺，以确保结构的性能稳定。针对风轮的叶片以及对风机的尾舵，我们则采用耐低温碳纤维复合材料。同时对相关的连接件以及润滑油脂，也进行了精选，均采用耐低温的材料，并同步委托低温实验室进行试验验证。

第二个需要解决的问题，如何在高风速下，风机能够安全正常的运行。为了有效的控制风轮的转速不超速，我们采用自主研发创新的机械离心被动变桨距正向变桨距技术。当风机在11m/s的额定风速内运行时，风机的风轮转速会在额定转速内稳定运行，风机的功率输出按照设定的曲线输出，叶片角度不发生变化；当风速超过额定风速时，由于风轮转速的提升，结合离心的原理，我们的叶片的角度会自动从0度角向大角度上变化，这样风轮的转速会随着叶片角度的变化而变化，最终实现在大风情况下风机的转速持续控制在额定转速的±10%的范围内，风机的功率可以持续稳定的输出额定功率。当风速超过30m/s的风速时，我们的自主研发的专利技术ASP安全控制系统将会启动，使风机停机。当平均风速低于12m/s的风速时，风机会自动解除刹车正常运行。从而实现大风状态下风机能够自动安全持续的运行。

第三个需要解决的问题是冰厚。冰层达到1900m，在这样的地方安装风机，传统的风机基础是无法实现的。针对这个特殊情况，我们进行了创新的设计。同时结合载荷要求，我们设计了这个底座（见下图)。本基础全部采用低温合金钢。考虑到能够方便的运输，我们采用了拼接的结构方案，所有的连接螺栓均采用42CrMo；在现场挖出长4.0mX宽4.0mX高2.1m的冰孔，再根据组装图将基础拼接好，通过直升机直接吊入冰孔，然后冰雪填埋压实。

以上三个难题通过我们团队的创新设计，均迎刃而解。并在约定时间内，我们的风机顺利交付。

四、应用前景

南极版极寒大风区域的风力发电机在南极的投入运行，体现出我国在保护南极环境以及节能减排上的决心和行动力。泰山站投入运行后，我们也开始了在罗斯海新站进行风力发电系统的安装和测试。预计在2022年，小批量的风力发电系统将在新站投入安装和运行。随着我国南极科考站的不断建站，我们的大风低温版的智能微电网供电系统将在南极广泛应用，不光是我们国家的科考站，其他国家的科考站也会采用我们的方案。市场应用前景广泛。