能提供低成本風電的新型風力機

作者: Bruce Cole
【摘要】第一代商用擴散體增強型風力機(DAWT)在新西蘭剛開始兩年試運行，如果開發(fā)者的預期結(jié)果得以實現(xiàn)，這種新設計的風力機可促使風電成本大幅度降低。

在距新西蘭奧克蘭南約100km的Waikaretu的一座小山頂上，一臺革命性的新型風力機正在進行為期兩年的試運行。這座風力機的外觀與常規(guī)風力機相比完全不同，其高度為17m，很象一巨物蹲在山頂上，而常規(guī)風力機則為一細長體，高高地矗立在山頂上。
    這是投入運行的第一代商用擴散體增強型風力機(DAWT: diffuser augmented wind turbine)，如果開發(fā)者的預期結(jié)果得以實現(xiàn)，將導致風力發(fā)電成本大幅度降低。在試驗新的風力機技術(shù)的同時，也可以試驗擴散體環(huán)罩的新材料、高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土。此種風力機在當?shù)乇环Q為"混凝土風力機"。在商業(yè)上，它被稱為Vortec7型風力機，因為它有一個7m直徑的轉(zhuǎn)子。
    風力機由近100家小型投資商組建的私人公司-Vortec能源有限公司負責設計和建設，該公司籌集了350萬美元開發(fā)原型機。Vortec能源有限公司目前正在進一步籌集約700萬美元，擬建設兩臺轉(zhuǎn)子直徑為20m的機組。其中一臺新機組將在高風速地區(qū)試驗，很可能在新西蘭的惠靈頓附近，另一臺在平均風速區(qū)。南澳大利亞州政府已對設計表示了很大的興趣并將在Adelaide附近加速安裝平均風速機組，因為州政府認為風力是一種少有的可再生能源，需要從技術(shù)上突破來帶動州內(nèi)占優(yōu)勢的較低平均風速資源的開發(fā)。
    兩臺新型的轉(zhuǎn)子直徑20m的機組成功地運行后，Vortec能源有限公司將考慮在Nasdaq股票交易所上市的可能性。Vortec7機組的性能數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)子直徑20m的設計能夠以低于0.031美元/kWh的價格上網(wǎng)，它將使風力發(fā)電可與新西蘭現(xiàn)有的電廠相競爭，與其它新的發(fā)電方式相比，更具競爭力。如果Vortec型風力機能以這種價格水平發(fā)電，在風電開發(fā)中它將迅速成為一股強大的新生力量。
    Vortec能源有限公司的后盾是企業(yè)家Robin Johannink，他成功地經(jīng)營著一系列業(yè)務，也是Pacific Lithium公司（一家從海水中提取鋰的公司）的后盾。Johannink先生講Vortec技術(shù)是一項國際產(chǎn)品，但該技術(shù)在新西蘭股票市場上所獲得的認可和重視還不太高，難以在此上市。因此Vortec能源有限公司正在考慮在紐約的Nasdaq交易所上市，很可能在1999年實現(xiàn)。

    1 擴散體技術(shù) 
    美國的航天巨頭Grumman空間公司（現(xiàn)在的Northrop Grumman公司）花費了8年時間開發(fā)擴散體技術(shù)并擁有擴散體增強型風力機技術(shù)的專利。它進行了擴散體流體動力學的詳細分析，并使用一5m的模型在風洞中證實了分析結(jié)果。擴散體位于風力機轉(zhuǎn)子的下游，其作用就象一個機翼，在轉(zhuǎn)子后部產(chǎn)生低壓部位。這種"抽吸效應"有效地使轉(zhuǎn)子周圍的風速成倍增加。常規(guī)的風力機只能有效地利用轉(zhuǎn)子周圍風速的60%左右。<圖01>示出了擴散體的流態(tài)。
    擴散體經(jīng)濟性的關(guān)鍵在于以最低成本獲得最大的尺寸。風洞研究表明在45度擴散體結(jié)構(gòu)中，內(nèi)壁附面流可由兩級風槽射流所維持。在該原型中，擴散體的總尺寸進一步減少，通過采用總長與出口直徑比為30%的弧形結(jié)構(gòu)，環(huán)罩硬度增強。使已選擇的設計以最低的材料用量獲得了最大的擴散體尺寸。
    Vortec能源有限公司獲得了Northrop Grumman公司頒發(fā)的擁有擴散體技術(shù)、為期20年的全球?qū)＠麢?quán)及此后20年專利更新權(quán)的許可證。Northrop Grumman公司保留了它們自己內(nèi)部使用擴散體增強技術(shù)而不用于風能商業(yè)市場的權(quán)利。Kenneth Foreman,原Grumman空間公司研究小組的領(lǐng)導者，為Vortec Energy公司的技術(shù)咨詢，Vortec能源有限公司獲得了Grumman空間公司研究小組8年研究的所有記錄、試驗報告及專利。

    2 材料技術(shù) 
    Grumman空間研究小組在開發(fā)擴散體增強技術(shù)中所遇到的一個問題是商業(yè)規(guī)模風力機材料必須具有強度高、壽命長、成本低的特點。曾對鋁、玻璃纖維、鋼和傳統(tǒng)鋼筋混凝土進行過評估和核算，但都不能滿足風力機經(jīng)濟開發(fā)的要求。在所有評估的材料中，最可取的是鋼筋混凝土，但使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土，擴散體尺寸使風力機額定出力只能達到70kW。由于機組規(guī)模太小無法對擴散體增強技術(shù)進行商業(yè)開發(fā)。
    新西蘭在使用鋼筋混凝土建造水塔和遠洋快艇之類設備方面有悠久歷史。在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)工程師Alexander和Associates在20年中開發(fā)了一種新型的產(chǎn)品-高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土。這種新材料的抗彎強度是低碳鋼的3倍，基本上不需要維修。這種新材料可以經(jīng)濟地建造較大的擴散體，從而使風力機有足夠的出力和常規(guī)風力機相競爭。
原型機轉(zhuǎn)子直徑為7m，高度為17m，最高出力為1MW。將要建設的兩臺機組使用20m直徑的轉(zhuǎn)子，高52m，出力為3MW。
擴散體使用兩層3m×1m×30mm的高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土板復合而成。第一層板沿著復雜的框架彎成所需的雙向曲面，并固定就位。第二層板放在頂部，彎曲成形，然后在基礎(chǔ)板上灌漿鎖定雙向曲面。再將這些曲面板粘結(jié)到一起，并對其邊緣進行硬化處理構(gòu)成擴散體扇形段。完整的擴散體裝配好之前，在奧克蘭大學工程院對單塊板和裝配好的擴散體扇形段樣品進行了應力測試。

    3 設備平衡 
    除了擴散體增強技術(shù)和材料技術(shù)外，風力機全部是常規(guī)的。轉(zhuǎn)子配備有定節(jié)距的4個葉片，該葉片內(nèi)為焊接鋼架構(gòu)，表面材料為玻璃纖維。轉(zhuǎn)子通過一David Brown升速變速箱驅(qū)動一常規(guī)的1 200min-1、400V的ABB公司生產(chǎn)的同步發(fā)電機，發(fā)電機變頻運行。轉(zhuǎn)子、變速箱和發(fā)電機（<圖02>）由美國的新世界電力公司(New World Power)提供。
變頻交流電先整流成直流電，然后逆變?yōu)?0Hz的交流電，經(jīng)升壓變壓器送入當?shù)仉娏�公司�?1kV電網(wǎng)。整流器/換流器設備由奧克蘭公司Santon技術(shù)有限公司設計和制造，該公司對電池充電器和變速驅(qū)動器的制造有多年經(jīng)驗。
    考慮到擴散體的尺寸，需要一大型穩(wěn)定的地基防止在大風載荷下和地震時倒伏。設備被安裝到一大直徑環(huán)行軌道上，風力機可以沿它旋轉(zhuǎn)360度，軌道上的旋轉(zhuǎn)裝置裝有迎風控制系統(tǒng)的電動裝置（<圖03>）。這種布置提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
    由于該種風力機可以避開大風且擴散體罩具有保護轉(zhuǎn)子不受大風影響的能力，因而轉(zhuǎn)子設計簡單不需要控制葉片節(jié)距。這使得該種風力機非常適合在大風地區(qū)使用，且維修量很小。

    4 設計的優(yōu)點 
    擴散體增強型風力機與常規(guī)風力機相比有許多優(yōu)點，包括：
    噪音低。常規(guī)風力機噪音來自速度最高的轉(zhuǎn)子頂部，并通過葉片傳向支柱。在Vortec機組中，轉(zhuǎn)子被一種高密度材料所覆蓋（擴散體），它防止了噪音從轉(zhuǎn)子末端向外輻射，因此沒有像用常規(guī)設備時大的支柱產(chǎn)生的噪音。
    用地少。就同樣的能源輸出而言，Vortec機組與常規(guī)風力機相比需要較少的用地，減少了土地購置和租用費用。
    不影響景觀。Vortec機組很容易地涂上各種顏色，當從遠距離觀看時能與各種背景相融合，設備蹲坐的外形與起伏的山村很協(xié)調(diào)。
    可衰減陣風。擴散體在增加出力的同時，也作為阻風門，衰減陣風的峰值，因而減少了轉(zhuǎn)子所承受的轉(zhuǎn)距波動和驅(qū)動器上的應力。
    鳥類撞擊少。盡管風力機能涂上不同的顏色降低了視覺影響，但對于飛到附近的鳥類卻很醒目，不會出現(xiàn)鳥類撞擊快速旋轉(zhuǎn)的風力機葉片的事故。
    基建費用和發(fā)電成本低。風力機使用了非常簡單的定節(jié)距葉片，不需要節(jié)距控制制動器或控制系統(tǒng)。這將大幅度降低維修費用，特別是在新西蘭的大風地區(qū)，并將確保很高的設備可用率。

    5 發(fā)展前景
    轉(zhuǎn)子直徑為7m的原型風力機將要進行6個月的試運行，對控制系統(tǒng)進行仔細調(diào)試并驗證設計參數(shù)。初步測量數(shù)據(jù)表明，風力機轉(zhuǎn)子風速增強了約1.72倍，這與Grumman空間公司研究小組的計算和它們在0.5m模型上進行的風洞試驗結(jié)果相吻合。
    Vortec Energy公司已獲得新西蘭科學與技術(shù)研究基金業(yè)務發(fā)展部的資助約350000美元，用以支付6個月試驗期的費用。
    監(jiān)視和試驗方案的技術(shù)支持由工業(yè)研究有限公司(Industrial Research Ltd.)和奧克蘭大學咨詢小組(Auckland Uniservices)提供，另外還邀請了英國國際風能咨詢專家Garrad Hassan獨立檢驗和監(jiān)督Vortec7機組的試運行計劃。
    表1給出了Vortec機組未來的開發(fā)方案。
    如果試驗方案產(chǎn)生的結(jié)果與預期的相吻合，將來擴散體增強型風力機將成為全球風電開發(fā)方案的一個主要部分，可廣泛用于其它待開發(fā)的地區(qū)。支持該技術(shù)的投資者雖承受高風險，但它可能獲得高的回報。 

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