高效利用近海風(fēng)能發(fā)電

在人們大力推廣陸基橫軸風(fēng)力發(fā)電機（HAWTs）系統(tǒng)的今天，美國能源部桑迪亞國家實驗室風(fēng)能研究人員則開始重新評估豎軸風(fēng)力發(fā)電機（VAWTs），目的是解決困擾利用近海微風(fēng)發(fā)電中的難題。事實上，無論是桑迪亞國家實驗室還是其他研究機構(gòu)，在人們開始研究風(fēng)力的時候，豎軸風(fēng)力發(fā)電機就是關(guān)注的對象。

豎軸風(fēng)力發(fā)電機存在著三方面的優(yōu)勢，它們分別是發(fā)電機設(shè)備的重心低、構(gòu)造相對簡單、更容易向大尺寸發(fā)展。研究人員認(rèn)為，豎軸風(fēng)力發(fā)電機重心較低意味著能夠改善在海上漂浮的穩(wěn)定性和降低重心疲勞負(fù)荷。此外，豎軸風(fēng)力發(fā)電機的動力傳動系統(tǒng)接近海平面，有望更容易維修并更快被利用。豎軸風(fēng)力發(fā)電機部件更少且疲勞負(fù)荷低和維修容易降低了維護成本。

結(jié)構(gòu)簡單

在美國能源部的支持下，桑迪亞國家實驗室目前在為美國近海風(fēng)能發(fā)電機系統(tǒng)開發(fā)先進的轉(zhuǎn)子技術(shù)，此項為期5年、投資達410萬美元的研究始于今年1月。桑迪亞國家實驗室風(fēng)能項目風(fēng)能技術(shù)經(jīng)理大衛(wèi)?敏斯特表示，風(fēng)能項目的目標(biāo)是加強低碳發(fā)電的應(yīng)用，應(yīng)對全國能源面臨的挑戰(zhàn)。

桑迪亞國家實驗室研究項目負(fù)責(zé)人之一喬希?帕奎特說，從機械簡明性的角度看，豎軸風(fēng)力發(fā)電機十分可取。因為它們發(fā)電時不需要將葉片指向風(fēng)向的控制系統(tǒng)，所以它們的部件要少于常見的橫軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

在研究人員看來，近海風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計必須解決支撐結(jié)構(gòu)高成本的問題，并能滿足簡單且可靠的要求，同時在設(shè)備尺寸超過陸基風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的情況下仍能實現(xiàn)可盈利運行。

大型近海豎軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片長度超過300米后，葉片的制造成本將超過陸基風(fēng)力發(fā)電機葉片的制造成本。然而，隨著發(fā)電系統(tǒng)和其基底變大，渦輪機和轉(zhuǎn)子占整個系統(tǒng)成本的比例卻在減少，因此豎軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)的其他好處將會抵消葉片成本的增加。

重重難題

當(dāng)然，在豎軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用于近海發(fā)電前，人們還面臨著種種需要解決的難題。

首先，豎軸風(fēng)力發(fā)電機葉片具有十分復(fù)雜的弧形表面，其生產(chǎn)難度高。制造超長的豎軸風(fēng)力發(fā)電機葉片需要創(chuàng)新的工程手段，對此，桑迪亞國家實驗室另一位項目負(fù)責(zé)人馬特?巴羅內(nèi)表示，愛荷華州立大學(xué)和TPI復(fù)合材料公司將研發(fā)新的技術(shù)以幫助生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜的豎軸風(fēng)力發(fā)電機葉片，它們的目標(biāo)是以能夠承受的成本生產(chǎn)尺寸超大的產(chǎn)品。

其次，豎軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)必須解決葉片附加給動力傳動系統(tǒng)循環(huán)荷載的問題。當(dāng)風(fēng)力穩(wěn)定時，橫軸風(fēng)力發(fā)電機扭矩也保持穩(wěn)定。豎軸風(fēng)力發(fā)電機則不同，因為每個葉片有兩個扭矩和動力“脈沖”，這取決于葉片是處于逆風(fēng)還是順風(fēng)的位置。這種扭矩波動的結(jié)果給葉片帶來了不穩(wěn)定的荷載，能導(dǎo)致動力傳動系統(tǒng)出現(xiàn)疲勞。研究人員將評估新的轉(zhuǎn)子設(shè)計，了解在保持轉(zhuǎn)子成本較少增加的情況下，能否消除周期性扭矩“脈沖”的影響。

由于第一代豎軸風(fēng)力發(fā)電機的開發(fā)結(jié)束于數(shù)10年前，因此新的豎軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計必須結(jié)合最近數(shù)10年來人們在現(xiàn)代橫軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中取得的研發(fā)成果。重新評估豎軸風(fēng)力發(fā)電機研究意味著尋求可幫助加快風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的新模式。巴羅內(nèi)認(rèn)為，加強這項研究的努力將成為綜合和提高現(xiàn)有空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)面向大眾的豎軸風(fēng)力發(fā)電機空氣動力設(shè)計工具。

另一個挑戰(zhàn)則是制動系統(tǒng)。過去的豎軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計沒有空氣動力制動系統(tǒng)，僅僅依靠機械制動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與用于橫軸風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力制動系統(tǒng)相比，不僅不易維護，而且可靠性較差。

橫軸風(fēng)力發(fā)電機利用具有自動防故障能力的墜落葉片，能夠在1至2秒鐘內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，同時不會損壞發(fā)電機。巴羅內(nèi)表示，新的豎軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計需要穩(wěn)固、可靠和成本低的空氣動力制動系統(tǒng)，同時，與橫軸風(fēng)力發(fā)電機一樣也需備有機械制動系統(tǒng)。

經(jīng)驗積累

上世紀(jì)70年代和80年代，當(dāng)風(fēng)能研究處于初期時，人們就開始開發(fā)豎軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)。雖然看上去豎軸風(fēng)力發(fā)電機外形有點怪異，但由于它相對橫軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)要簡單而更可靠，因此仍成為人們開發(fā)的對象。有段時間，豎軸風(fēng)力發(fā)電機的開發(fā)曾占據(jù)了上風(fēng)，不過隨后橫軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)出現(xiàn)了大規(guī)模的發(fā)展。

帕奎特表示，在過去15年間，橫軸風(fēng)力發(fā)電機成為陸基風(fēng)力發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)，其主要原因是在1至5兆瓦的裝機容量范圍內(nèi)，橫軸風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子成本具有明顯的優(yōu)勢。80年代，人們研究的重點是更加龐大的橫軸風(fēng)力發(fā)電渦輪機，眾多的豎軸風(fēng)力發(fā)電機制造商因此悄然退出，豎軸風(fēng)力發(fā)電機似乎就此成為失敗者進入風(fēng)能博物館。

然而，峰回路轉(zhuǎn)，現(xiàn)在豎軸風(fēng)力發(fā)電機又重新回到人們的視野中。桑迪亞國家實驗室利用其豐富的風(fēng)能研究經(jīng)驗，匯集過去的知識，總結(jié)90年代研究的成果，提出了幾個關(guān)鍵的問題。

桑迪亞國家實驗室研究項目的第一階段為期2年，其包括開發(fā)幾種概念設(shè)計，并通過計算機模型來驗證這些設(shè)計，從中優(yōu)化出一種最有希望獲得成功的設(shè)計。在這個階段，研究人員將分析各種類型的氣動彈性轉(zhuǎn)子設(shè)計。然而，早期中意的轉(zhuǎn)子類型是達里厄設(shè)計。

研究項目的第二階段為期3年，目標(biāo)是將選擇出來的設(shè)計實物化，并最終在苛刻的條件下進行測試，因為發(fā)電機必須經(jīng)受得住近海環(huán)境的考驗。

除轉(zhuǎn)子設(shè)計外，研究項目還將仔細(xì)考量不同的發(fā)電系統(tǒng)基底設(shè)計，早期的設(shè)計包括駁船式、張力支架平臺式和柱形浮標(biāo)式。

研究項目的合作機構(gòu)將完成其他的工作。例如，緬因大學(xué)的任務(wù)是開發(fā)海上漂浮豎軸風(fēng)力發(fā)電機平臺動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)和小型化原型機的風(fēng)/浪水池測試；愛荷華州立大學(xué)開發(fā)近海豎軸風(fēng)力發(fā)電機葉片的制造技術(shù)，并對小尺寸葉片進行風(fēng)洞測試；德州農(nóng)機大學(xué)負(fù)責(zé)氣動彈性設(shè)計工具的開發(fā)；荷蘭代爾夫特理工學(xué)院承擔(dān)氣動彈性設(shè)計及優(yōu)化工具開發(fā)和模型構(gòu)建。帕奎特表示，從根本上講，這些都是針對能源的成本，獲得高效且可行的豎軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。

來源：科技日報 作者：毛黎

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