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

      豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在著三方面的優(yōu)勢(shì)，它們分別是發(fā)電機(jī)設(shè)備的重心低、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)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(jī)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(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)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(jī)部件更少且疲勞負(fù)荷低和維修容易降低了維護(hù)成本。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

      在美國(guó)能源部的支持下，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室目前在為美國(guó)近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)先進(jìn)的轉(zhuǎn)子技術(shù)，此項(xiàng)為期5年、投資達(dá)410萬美元的研究始于今年1月。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室風(fēng)能項(xiàng)目風(fēng)能技術(shù)經(jīng)理大衛(wèi)?敏斯特表示，風(fēng)能項(xiàng)目的目標(biāo)是加強(qiáng)低碳發(fā)電的應(yīng)用，應(yīng)對(duì)全國(guó)能源面臨的挑戰(zhàn)。

      桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一喬希?帕奎特說，從機(jī)械簡(jiǎn)明性的角度看，豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)十分可取。因?yàn)樗鼈儼l(fā)電時(shí)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(jì)必須解決支撐結(jié)構(gòu)高成本的問題，并能滿足簡(jiǎn)單且可靠的要求，同時(shí)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(shí)現(xiàn)可盈利運(yùn)行。

      大型近海豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)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(jī)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(jī)和轉(zhuǎn)子占整個(gè)系統(tǒng)成本的比例卻在減少，因此豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的其他好處將會(huì)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(jī)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(jī)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(zhǎng)的豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要?jiǎng)?chuàng)新的工程手段，對(duì)此，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室另一位項(xiàng)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(jī)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(jī)系統(tǒng)必須解決葉片附加給動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)荷載的問題。當(dāng)風(fēng)力穩(wěn)定時(shí)，橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)扭矩也保持穩(wěn)定。豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)則不同，因?yàn)槊總€(gè)葉片有兩個(gè)扭矩和動(dòng)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(dòng)的結(jié)果給葉片帶來了不穩(wěn)定的荷載，能導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)疲勞。研究人員將評(píng)估新的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)必須結(jié)合最近數(shù)10年來人們?cè)诂F(xiàn)代橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中取得的研發(fā)成果。重新評(píng)估豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究意味著尋求可幫助加快風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的新模式。巴羅內(nèi)認(rèn)為，加強(qiáng)這項(xiàng)研究的努力將成為綜合和提高現(xiàn)有空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)面向大眾的豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)工具。

      另一個(gè)挑戰(zhàn)則是制動(dòng)系統(tǒng)。過去的豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)沒有空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)，僅僅依靠機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與用于橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)相比，不僅不易維護(hù)，而且可靠性較差。

      橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用具有自動(dòng)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(dòng)，同時(shí)不會(huì)損壞發(fā)電機(jī)。巴羅內(nèi)表示，新的豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)需要穩(wěn)固、可靠和成本低的空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)，與橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一樣也需備有機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。

經(jīng)驗(yàn)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(shí)，人們就開始開發(fā)豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。雖然看上去豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形有點(diǎn)怪異，但由于它相對(duì)橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)要簡(jiǎn)單而更可靠，因此仍成為人們開發(fā)的對(duì)象。有段時(shí)間，豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)容量范圍內(nèi)，橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子成本具有明顯的優(yōu)勢(shì)。80年代，人們研究的重點(diǎn)是更加龐大的橫軸風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)，眾多的豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商因此悄然退出，豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)似乎就此成為失敗者進(jìn)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(jī)又重新回到人們的視野中。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用其豐富的風(fēng)能研究經(jīng)驗(yàn)，匯集過去的知識(shí)，總結(jié)90年代研究的成果，提出了幾個(gè)關(guān)鍵的問題。

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

      研究項(xiàng)目的第二階段為期3年，目標(biāo)是將選擇出來的設(shè)計(jì)實(shí)物化，并最終在苛刻的條件下進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)必須經(jīng)受得住近海環(huán)境的考驗(yàn)。

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

      研究項(xiàng)目的合作機(jī)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(jī)平臺(tái)動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)和小型化原型機(jī)的風(fēng)/浪水池測(cè)試;愛荷華州立大學(xué)開發(fā)近海豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造技術(shù)，并對(duì)小尺寸葉片進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試;德州農(nóng)機(jī)大學(xué)負(fù)責(zé)氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)工具的開發(fā);荷蘭代爾夫特理工學(xué)院承擔(dān)氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)。(記者 毛黎)