中國南極泰山站極寒地區風力發電機供電系統檢視原始碼討論檢視歷史

來自 搜狐網 的圖片

中國南極泰山站極寒地區風力發電機供電系統中國南極泰山站極寒地區風力發電機供電系統，中國南極泰山站於2014年2月8號在南極建成，位於中國南極中山站與崑崙站之間的伊麗莎白公主地，坐標：東經76°58′，南緯73°51′，海拔高度2621米。

一、背景

中國南極泰山站於2014年2月8號在南極建成，位於中國南極中山站與崑崙站之間的伊麗莎白公主地，坐標：東經76°58′，南緯73°51′，海拔高度2621米。距中山站約522公里，距崑崙站715公里，距格羅夫山85公里，距埃默里冰架接地線220公里，距離查爾斯王子山資源區370公里。伊麗莎白公主地位置表面地勢和冰下地形平坦，坡度約為0.35度，冰體厚度超過1900米，冰蓋底部無融化現象，冰蓋水平流動量小，冰川運動速率在20米/年的範圍內。泰山站年平均溫度在零下36度，極低溫度接近零下60度，雖然風力資源豐富，但是屬於高風速區域，極端風速超過50/s，自然條件非常惡劣。

我們國家為了減少用電對南極環境的影響，提出採用風光互補的微網系統給泰山站的科研人員以及相關的科研設備提供所需的電能。最大程度的降低碳排放量是泰山站建設及使用過程中的一個努力方向。目前已建的南極科考站所用的能源都是靠柴油及火力發電機使用低溫柴油燃料而產生的。這些燃料全部依賴外部運送，不僅成本高，而且每次運送的數量也很有限，更重要的是，使用柴油發電，對南極的環境也會產生不良的影響。因此採用風光互補的微網系統供電站對實現節能減排具有重要意義。但由於自然條件惡劣，在這類區域安裝風光互補的系統，需要克服很多技術難題；尤其是中小型風力發電機的安裝運行是項目突破的重點。青島安華新元風能股份有限公司承接了這個任務開始着手研發。

二、應用案例

1.項目概述

2018年，低溫大風版風機樣機研製成功。在第35次南極考察期間，通過南極考察船運抵南極泰山站，在南極泰山站先安裝運行了2套5kW變槳距風力發電機，進行實地大風低溫的驗證，風機運行平穩；於是在2019年第36次南極考察期間追加安裝了2套5kW變槳距風力發電機，同時完善光伏系統的安裝和調試，泰山站新能源60kW微電網系統搭建完成。其中風電系統功率20kW,光伏系統功率40kW，實現了夏季完全依賴新能源供電的目標。在夏季有人值守期間，實現了科考隊在泰山站的夏季科研過程中可以完全使用新能源供電，在冬季無人值守期間，一直由新能源微電網發電系統提供電能。在4月到10月期間的極夜階段，則主要依靠我公司提供的4套5kW變槳距風力發電機發電系統為科研儀器和站區配套設備進行供電。由於風力資源豐富，風力發電機年平均發電量在6萬度電以上，加上光伏的發電量，基本實現了泰山站的零排放。在這次建設過程中，泰山站採用了我們擁有自主知識產權的南極版極寒大風區域的風力發電機，此型號風力機的技術水平處於世界領先水平。

三、技術要點

基於南極極端的氣候條件，用風力發電系統來供電，對風力發電機設備的技術及品質要求很高。必需要解決三個重要的問題:

1、低溫。常年低溫，而且極端低溫會達到零下60度，這對風力發電機系統的材質提出很高的要求，並且相關的生產工藝也需要達到更高的要求；

2、大風。通常一起風就是風暴，持續大風狀態下，如果採用常規的設計是沒有辦法保證風機的安全正常運行。

3、冰厚。泰山站冰層厚度達到1900m，在冰上安裝風力發電機，安裝基礎需要進行特殊的結構設計。

針對以上問題，我們組織公司骨幹力量進行科技攻關。第一個需要解決的低溫問題，首先結合IEC61400-2的國際標準，對風力發電機的強度進行設計，再結合強度設計，選擇適用於南極的一款低溫合金材料，最後對低溫材料的特性進行結構設計，並制定了低溫合金材料的焊接工藝，以確保結構的性能穩定。針對風輪的葉片以及對風機的尾舵，我們則採用耐低溫碳纖維複合材料。同時對相關的連接件以及潤滑油脂，也進行了精選，均採用耐低溫的材料，並同步委託低溫實驗室進行試驗驗證。

第二個需要解決的問題，如何在高風速下，風機能夠安全正常的運行。為了有效的控制風輪的轉速不超速，我們採用自主研發創新的機械離心被動變槳距正向變槳距技術。當風機在11m/s的額定風速內運行時，風機的風輪轉速會在額定轉速內穩定運行，風機的功率輸出按照設定的曲線輸出，葉片角度不發生變化；當風速超過額定風速時，由於風輪轉速的提升，結合離心的原理，我們的葉片的角度會自動從0度角向大角度上變化，這樣風輪的轉速會隨着葉片角度的變化而變化，最終實現在大風情況下風機的轉速持續控制在額定轉速的±10%的範圍內，風機的功率可以持續穩定的輸出額定功率。當風速超過30m/s的風速時，我們的自主研發的專利技術ASP安全控制系統將會啟動，使風機停機。當平均風速低於12m/s的風速時，風機會自動解除剎車正常運行。從而實現大風狀態下風機能夠自動安全持續的運行。

第三個需要解決的問題是冰厚。冰層達到1900m，在這樣的地方安裝風機，傳統的風機基礎是無法實現的。針對這個特殊情況，我們進行了創新的設計。同時結合載荷要求，我們設計了這個底座（見下圖)。本基礎全部採用低溫合金鋼。考慮到能夠方便的運輸，我們採用了拼接的結構方案，所有的連接螺栓均採用42CrMo；在現場挖出長4.0mX寬4.0mX高2.1m的冰孔，再根據組裝圖將基礎拼接好，通過直升機直接吊入冰孔，然後冰雪填埋壓實。

以上三個難題通過我們團隊的創新設計，均迎刃而解。並在約定時間內，我們的風機順利交付。

四、應用前景

南極版極寒大風區域的風力發電機在南極的投入運行，體現出我國在保護南極環境以及節能減排上的決心和行動力。泰山站投入運行後，我們也開始了在羅斯海新站進行風力發電系統的安裝和測試。預計在2022年，小批量的風力發電系統將在新站投入安裝和運行。隨着我國南極科考站的不斷建站，我們的大風低溫版的智能微電網供電系統將在南極廣泛應用，不光是我們國家的科考站，其他國家的科考站也會採用我們的方案。市場應用前景廣泛。