[发明专利]基于高温超导材料的海上风力发电机全寿命评估方法

摘要

本发明公开了一种基于高温超导材料的海上风力发电机全寿命评估方法，该方法步骤包括确定全寿命评估周期、限定边界条件、确定资产配置、设定海上风力发电机参数、建立评价指标库、进行评价指标灵敏度及不确定性分析、确定总体评价步骤等。所用高温超导材料为第二代高温超导带材，采用薄膜真空沉积技术制成超导层，超导层共分六层，分别为铜底层、哈氏合金C276层、钇钡铜氧化物层、纳米层、银层、20微米的铜顶层。本发明方法可确定对海上风力发电机全寿命产生影响的关键指标，有助于管理规划决策，使设备处于良好的环境友好工作状态以达到全寿命能耗最小。

主权项

一种基于高温超导材料的海上风力发电机全寿命评估方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：确定直驱式海上风力发电机全寿命评估的周期范围，包括四个阶段，分别为：原材料选取阶段、生产阶段、分装阶段和成品组装阶段；其中，全寿命评估的周期范围不包括设备拆除阶段和设备报废阶段；步骤2：限定边界条件；设定直驱式海上风力发电机最小功率为15兆瓦，最低转速为7转/分，最小效率为95％；全寿命评估不包括直驱式海上风力发电机低速的转子转轴和转子轴承，不包括辅助传动系统；其中，辅助传动系统包括转换器、线路、变压器、安全和监控系统；设定直驱式海上风力发电机的各个组成部件的生产地处于同一地区；直驱式海上风力发电机全寿命评估的周期中对环境的影响包括：电能及热能的输入，固体原料、液体原料、气体原料的输入，气体形式、液体形式的排放输出；步骤3：资产配置的确定；不考虑资产配置的影响，设定直驱式海上风力发电机的各个组成部件均用于电机成品中；步骤4：环境影响类型的确定；环境影响类型采用ISO 14040‑2006标准和ISO 14041‑2000标准进行分类；步骤5：非生物资源消耗评价指标P_AR的计算；非生物资源消耗评价指标P_AR表示对已有自然资源的耗费程度，其计算公式为：$P_{AR}=\underset{i}{\Σ}{F}_i\·m_i$其中，m_i表示以千克为计量单位的资源重量，F_i为能源总储量以千克为计量单位时的系数，i为影响环境的物质类型；步骤6：全球变暖评价指标P_GWP的计算；温室气体的排放物包括CO₂、CH₄、N₂O和氯氟烃，全球变暖评价指标P_GWP表示温室气体的排放程度，其定义为每千克温室气体中热吸收量和CO₂等效排放量之间的关系，计算公式为：$P_{GWP}=\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{a}_i\·c_i\left(t\right)dt}{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{a}_{{\mathrm{CO}}_2}\·c_{{\mathrm{CO}}_2}\left(t\right)dt}$其中，时间t∈(0，T)，a_i为每个单位浓度气体所产生的热量，单位是W·m^‑2·kg^‑1；c_i为对时间t的气体浓度，单位是kg^‑1·m^‑3；为每个单位浓度CO₂所产生的热量，单位是W·m^‑2·kg^‑1；为对时间t的CO₂浓度，单位是kg^‑1·m^‑3步骤7：气候变化评价指标P_CCI的计算；气候变化评价指标P_CCI的计算公式为：$P_{CCI}=\underset{i}{\Σ}{P}_{GHP}\·m_i$步骤8：臭氧损耗评价指标P_ODP的计算；臭氧损耗评价指标P_ODP表示一年中每千克平衡状态的臭氧分解量和同样CFC‑11数量下平衡状态的臭氧分解量之间的关系，其计算公式为：$P_{ODP}=\frac{\mathrm{\δ}\left(O^3\right)}{\mathrm{\δ}{\left(O^3\right)}_{CFC-11}}$其中，CFC‑11表示一氟三氯甲烷，O³表示臭氧，δ(O³)为每单位重量O³的质量，δ(O³)_CFC‑11为每单位重量O³中含有CFC‑11的质量；步骤9：臭氧层评价指标P_ODI的计算；臭氧层评价指标P_ODI计算公式为：$P_{ODI}=\underset{i}{\Σ}{P}_{ODP}\·m_i$步骤10：光化学臭氧生成评价指标P_POCP的计算；光化学臭氧生成评价指标P_POCP定义为挥发性有机化合物排放量中的臭氧浓度和乙烯排放量中的臭氧浓度之间的关系，其计算公式为：$P_{POCP}=\frac{\frac{a_i}{b_i}}{\frac{a_{C_2{H}_4}}{b_{C_2{H}_4}}}$其中，C₂H₄表示乙烯，a_i为挥发性有机化合物排放引起的臭氧浓度变化量，b_i表示有机化合物的排放量，为C₂H₄排放引起的臭氧浓度变化量，为C₂H₄的排放量；步骤11：酸化评价指标P_AP的计算；酸化评价指标P_AP表示电位离子H+每单位等值物的酸化程度，其计算公式为：$P_{AP}=\frac{{\mathrm{\μ}}_H{M}_H}{M_i}$其中，μ_H表示每千克物质i所产生的离子H+的数量，单位是mol·kg^‑1；M_H表示每单位摩尔H+的平均重量，单位是kg^‑1·mol；M_i表示物质i的平均重量；步骤12：酸化影响评价指标P_AI的计算；酸化影响评价指标P_AI表示空气中的氮氧化物和硫磺引起的酸性沉淀物对环境的影响，其计算公式为：$P_{AI}=\underset{i}{\Σ}{P}_{AP}\·m_i$步骤13：设置海上风力发电机的具体参数，包括功率、角速度、转矩、线速度、相电流、频率、有效长度、相数、气隙直径、电枢外径直径、转子内径直径、气隙厚度、电枢槽数、每槽的绕组数、定子绕组宽度、定子绕组高度、定子磁轭厚度、转子极数、转子绕组宽度、转子绕组高度、转子绕组厚度；步骤14：设置定子组件的材料类型及参数，包括：钢材、铜电枢绕组、固定环、固定条、结构、制冷单元、前盖、定子质量；步骤15：设置转子组件的材料类型及参数，包括：钢材、连接环、高温超导材料、低温冷却器、低温电路、真空泵、永磁体、转子质量；步骤16：评价指标库的建立，包括八个指标，分别为：非生物资源消耗评价指标P_AR、全球变暖评价指标P_GWP、气候变化评价指标P_CCI、臭氧损耗评价指标P_ODP、臭氧层评价指标P_ODI、光化学臭氧生成评价指标P_POCP、酸化评价指标P_AP、酸化影响评价指标P_AI；步骤17：评价指标的标准化处理，基于ISO 14040‑2006标准实现；步骤18：评价指标的灵敏度分析，确定出对评价指标库中的评价指标具有决定影响作用的参数；步骤19：不确定性分析，考虑铜电枢绕组、定子的钢材类型及参数、转子的钢材类型及参数、高温超导材料的权重分别发生20％的变化时，对环境的影响程度；步骤20：总体评价步骤的确定；首先，基于标准化处理后的评价指标库的八个指标，结合评价指标的灵敏度分析和不确定性分析，计算直驱式海上风力发电机在全寿命评估周期的四个不同阶段中对环境产生影响的指标数值；接着，基于设备报废的寿命时间，从节能环保的角度出发，分析对直驱式海上风力发电机全寿命产生影响的关键指标，并与设备能耗基准值进行比较，通过规划管理决策，使设备处于良好的环境友好工作状态以达到全寿命能耗最小。