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英国发展海上风电面临的挑战

Biljana Ognenova 2019-07-02

英国政府宣布计划到2030年投资可再生能源,并从海上风电场供应三分之一的电力,风能工程已经达到了新的高度。但利用海上风电场并非没有挑战。直到几年前,这些风电场曾经是奢侈的能源。然而,风电场成本从2014年的约150磅/兆瓦时降至2017年的每兆瓦时57.50磅/兆瓦时,风电已成为支持英国进入下一个十年之旅的有影响力的电力来源。w25电子头条

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为什么海上风电如此昂贵?w25电子头条

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陆上风力发电是最便宜的新能源。奇怪的是,海风比陆地风更快,湍流更低,在相同规模下产生更大的能量。那么为什么离岸电力的价格会更高呢?从海平面以上的海上风力发电场来看,可持续风力发电系统的设计似乎很容易。但情况恰恰相反。由于包括不稳定的天气、设计、连通性以及与现有电网组件的相互作用影响的许多因素,以美元/兆瓦时为单位测量的LCOE(平准化能源成本)对于海上农场来说要大得多。w25电子头条

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风电场需要复杂的工程工作w25电子头条

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海上风力涡轮机是复杂的大型结构,在微型齿轮箱上非常可靠,但新型风力涡轮机不会自动包含它们。然而,风电工程师仍必须为风电场建造大型部件。 涡轮机的旋转叶片需要耐腐蚀、耐磨损,以及增加切断风速。这种改进对于从更强的海风中吸取更多的动力而不会对涡轮机本身造成损害是必要的。这种强大的风力发电机,特别是为海上风电场设计的大型机器,需要与海洋、陆地和空气环境相结合,并与之形成复杂的相互作用。w25电子头条

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多学科设计提高了成本w25电子头条

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因此,工程师必须考虑风电场规范、设计风电场布局和安装,并考虑输电线路的支持基础设施。此外,他们还必须测试所有硬件和软件元素。 由于多个工程领域涉及建造海上风电场,因此,电气、环境、土木、工业和机械工程师的整体设计成本增加。尽管如此,到目前为止所取得的进步仍然为将风能带给消费者提供了可靠且具有成本效益的新方法。 w25电子头条

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每年海上风力设施图表由国家。图片由WindEurope提供。 w25电子头条

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自2008年以来,英国的海上风力发电系统不断增长,目前已经有17%的电力来自风力发电。为了达到33%的临界值,在设计空气动力学叶片、控制周围的湍流、使用弹性材料以及改进齿轮箱和储能技术等领域仍有许多工作要做。反过来,这些改进将降低运营和维护成本,这将增加海上风力发电设施总成本的30%。w25电子头条

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海上风电场是一项战略投资w25电子头条

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海上风电场是一项强大的资本投资,具有较高的能源密度,即使目前处于新的债务阶段,但从长远来看仍将获得回报。英国已经拥有最大的海上风力涡轮机,即659兆瓦的Walney扩建项目,而更大的一个,Hornsea 1,正在按照我们的说法建造,一旦完全投入使用,将产生1218兆瓦的电力。 w25电子头条

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目前在英国运行的小型风电场的容量系数较低,因为它们是在考虑天气因素的情况下开发的。但是,通过计算距离,天气因素将是平均值,设计将在容量因素中起主导作用。 w25电子头条

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欧洲年度海上风电场统计数据。图片由WindEurope提供。w25电子头条

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这种建造大型风力涡轮机基础设施的趋势,其转子高达300英尺,直径超过500英尺,这是获得战略视角并找到克服短期成本挑战的方法之一。 海上风电场越大越好。但是,将这些大型部件从陆地运输到海上的成本以及安装单桩基础的技术与替代品相比是最经济实惠的,但仍然是一项重大的资本支出,因为它只适用于少数制造商。一些成本可能需要提取或归因于当地城市预算,其家庭和企业将受益于新的可再生能源,它们可能在运输成本和将在当地分配电力的输电线路中占主导地位。w25电子头条

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介绍智能风力涡轮机w25电子头条

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另一个妨碍风力涡轮机资本化的障碍是电子问题,而不是海上风力发电场的资本支出或一般基础设施问题。英国是一个高大气压不稳定和风向变化的地区。具有嵌入式传感器和算法元件的智能涡轮机可以更好地从环境中收集数据并评估变化的风对能量捕获的影响。 w25电子头条

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西门子的海上风力涡轮机。图片由Siemens Gamesa提供。 w25电子头条

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此外,还有“ 尾流效应 ”。尾流效应是指当空气通过涡轮叶片时,单个风力涡轮机如何相互作用,从而在空气继续流向更远处的涡轮机时产生聚集的波动,从而在下游产生较低的空气速度。在这种情况下,可以应用详细的计算机建模来预测如何在不断变化的大气条件下优化能量捕获,而不会对涡轮产生机械过度应力。w25电子头条

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电子工程师面临的挑战 w25电子头条

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电子工程师面临着艰巨的任务,他们必须找到设计海上风电场,将电力从收集点传输到远处的输电变电站,并将其分配到可供消费者使用的内陆地区。收集点的一个重大挑战是控制无功功率和维持电压,以提供功率可靠性。海上风电系统的谐波抑制包括在风力涡轮机上找到有源谐波滤波器的最佳位置,而不是将它们放置在海洋平台上。w25电子头条

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直流或交流传输?w25电子头条

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由于使用经济上不可行的长海洋电缆进行交流传输的成本很高,所以在陆上输送电力是一个问题。直流传输可能看起来更便宜,因为直流电缆可以适当地绝缘从而能够传输更高的电流,但要做到这一点,两端都需要昂贵的功率转换器。在考虑直流传输时,海上电力转换器的维护以及它们与风力涡轮机的相互作用也可能成为问题。交流输电可能会因过电流和过电压而受损,尤其是由于具有开放电缆的输电线路中的Ferranti效应而发生的瞬态电压。 过电压效应可以通过并联电抗器来解决,而并联电抗器必须经过精心设计,以解决零漏现象。w25电子头条

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分流电抗器。图片由Asera Brown Boveri提供。 w25电子头条

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相互作用效应w25电子头条

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在互连点处,风电场无功功率波动可能会影响变电站的电压水平。系统组件与风电场之间的相互作用效应是可能的,可以通过协调各种控制的EMT模型来解决,而通过提供电阻阻尼的C滤波器可以改善互连点长电缆的高电容问题。对于将使用现有电网传输海上能源的风电场,电网拥堵是风电场面临的另一个挑战。需要进行8760分析以评估一段时间内的约束,并决定收费风电系统将对系统的其余部分采取的措施。w25电子头条

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先设计w25电子头条

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电子工程师现在需要专注于设计结构和经济上可行的智能涡轮机,并将它们从成熟的海上风电场连接到陆上电网,而不会对现有电力系统本身造成重大损失和危害。 此外,他们必须考虑整体环境影响,因为他们安装过滤器和布线,以扩大海上风电场。毕竟,风能是可再生的,随着未来的设计效益超过目前的能源捕获损失,更大的战略投资的缺点将成为累积的可持续性效益。  w25电子头条