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豎軸風力發電機 高效利用近海風能發電

日期:2012-8-4
在人們大力推廣陸基橫軸風力發電機(HAWTs)系統的今天,美國能源部桑迪亞國家實驗室風能研究人員則開始重新評估豎軸風力發電機(VAWTs),目的是解決困擾利用近海微風發電中的難題。事實上,無論是桑迪亞國家實驗室還是其他研究機構,在人們開始研究風力的時候,豎軸風力發電機就是關注的對象。

豎軸風力發電機存在著三方面的優勢,它們分別是發電機設備的重心低、構造相對簡單、更容易向大尺寸發展。研究人員認為,豎軸風力發電機重心較低意味著能夠改善在海上漂浮的穩定性和降低重心疲勞負荷。此外,豎軸風力發電機的動力傳動系統接近海平面,有望更容易維修并更快被利用。豎軸風力發電機部件更少且疲勞負荷低和維修容易降低了維護成本。
結構簡單
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力發電機系統開發先進的轉子技術,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能項目風能技術經理大衛?敏斯特表示,風能項目的目標是加強低碳發電的應用,應對全國能源面臨的挑戰。
桑迪亞國家實驗室研究項目負責人之一喬希?帕奎特說,從機械簡明性的角度看,豎軸風力發電機十分可取。因為它們發電時不需要將葉片指向風向的控制系統,所以它們的部件要少于常見的橫軸風力發電系統。
在研究人員看來,近海風能發電系統的設計必須解決支撐結構高成本的問題,并能滿足簡單且可靠的要求,同時在設備尺寸超過陸基風力發電系統的情況下仍能實現可盈利運行。
大型近海豎軸風力發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力發電機葉片的制造成本。然而,隨著發電系統和其基底變大,渦輪機和轉子占整個系統成本的比例卻在減少,因此豎軸風力發電機結構的其他好處將會抵消葉片成本的增加。
重重難題
當然,在豎軸風力發電機系統大規模應用于近海發電前,人們還面臨著種種需要解決的難題。
首先,豎軸風力發電機葉片具有十分復雜的弧形表面,其生產難度高。制造超長的豎軸風力發電機葉片需要創新的工程手段,對此,桑迪亞國家實驗室另一位項目負責人馬特?巴羅內表示,愛荷華州立大學和TPI復合材料公司將研發新的技術以幫助生產幾何形狀復雜的豎軸風力發電機葉片,它們的目標是以能夠承受的成本生產尺寸超大的產品。
其次,豎軸風力發電機系統必須解決葉片附加給動力傳動系統循環荷載的問題。當風力穩定時,橫軸風力發電機扭矩也保持穩定。豎軸風力發電機則不同,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還是順風的位置。這種扭矩波動的結果給葉片帶來了不穩定的荷載,能導致動力傳動系統出現疲勞。研究人員將評估新的轉子設計,了解在保持轉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。
由于第一代豎軸風力發電機的開發結束于數10年前,因此新的豎軸風力發電機設計必須結合最近數10年來人們在現代橫軸風力發電機設計中取得的研發成果。重新評估豎軸風力發電機研究意味著尋求可幫助加快風力發電機設計的新模式。巴羅內認為,加強這項研究的努力將成為綜合和提高現有空氣動力學和結構動力標準,開發面向大眾的豎軸風力發電機空氣動力設計工具。
另一個挑戰則是制動系統。過去的豎軸風力發電機設計沒有空氣動力制動系統,僅僅依靠機械制動系統,這種系統與用于橫軸風力發電機的空氣動力制動系統相比,不僅不易維護,而且可靠性較差。
橫軸風力發電機利用具有自動防故障能力的墜落葉片,能夠在1至2秒鐘內停止轉動,同時不會損壞發電機。巴羅內表示,新的豎軸風力發電機設計需要穩固、可靠和成本低的空氣動力制動系統,同時,與橫軸風力發電機一樣也需備有機械制動系統。
經驗積累
上世紀70年代和80年代,當風能研究處于初期時,人們就開始開發豎軸風力發電機系統。雖然看上去豎軸風力發電機外形有點怪異,但由于它相對橫軸風力發電機系統要簡單而更可靠,因此仍成為人們開發的對象。有段時間,豎軸風力發電機的開發曾占據了上風,不過隨后橫軸風力發電機系統出現了大規模的發展。
帕奎特表示,在過去15年間,橫軸風力發電機成為陸基風力發電的主導技術,其主要原因是在1至5兆瓦的裝機容量范圍內,橫軸風力發電機轉子成本具有明顯的優勢。80年代,人們研究的重點是更加龐大的橫軸風力發電渦輪機,眾多的豎軸風力發電機制造商因此悄然退出,豎軸風力發電機似乎就此成為失敗者進入風能博物館。
然而,峰回路轉,現在豎軸風力發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能研究經驗,匯集過去的知識,總結90年代研究的成果,提出了幾個關鍵的問題。
桑迪亞國家實驗室研究項目的第一階段為期2年,其包括開發幾種概念設計,并通過計算機模型來驗證這些設計,從中優化出一種最有希望獲得成功的設計。在這個階段,研究人員將分析各種類型的氣動彈性轉子設計。然而,早期中意的轉子類型是達里厄設計。
研究項目的第二階段為期3年,目標是將選擇出來的設計實物化,并最終在苛刻的條件下進行測試,因為發電機必須經受得住近海環境的考驗。
除轉子設計外,研究項目還將仔細考量不同的發電系統基底設計,早期的設計包括駁船式、張力支架平臺式和柱形浮標式。
研究項目的合作機構將完成其他的工作。例如,緬因大學的任務是開發海上漂浮豎軸風力發電機平臺動態標準和小型化原型機的風/浪水池測試;愛荷華州立大學開發近海豎軸風力發電機葉片的制造技術,并對小尺寸葉片進行風洞測試;德州農機大學負責氣動彈性設計工具的開發;荷蘭代爾夫特理工學院承擔氣動彈性設計及優化工具開發和模型構建。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力發電系統設計。(來源:科技日報)
 
 

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