能提供低成本風(fēng)電的新型風(fēng)力機

作者: Bruce Cole
【摘要】第一代商用擴散體增強型風(fēng)力機(DAWT)在新西蘭剛開始兩年試運行，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實現(xiàn)，這種新設(shè)計的風(fēng)力機可促使風(fēng)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(fēng)力機正在進行為期兩年的試運行。這座風(fēng)力機的外觀與常規(guī)風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機(DAWT: diffuser augmented wind turbine)，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實現(xiàn)，將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電成本大幅度降低。在試驗新的風(fēng)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(fēng)力機在當(dāng)?shù)乇环Q為"混凝土風(fēng)力機"。在商業(yè)上，它被稱為Vortec7型風(fēng)力機，因為它有一個7m直徑的轉(zhuǎn)子。
    風(fēng)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(zé)設(shè)計和建設(shè)，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(shè)兩臺轉(zhuǎn)子直徑為20m的機組。其中一臺新機組將在高風(fēng)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(fēng)速區(qū)。南澳大利亞州政府已對設(shè)計表示了很大的興趣并將在Adelaide附近加速安裝平均風(fēng)速機組，因為州政府認為風(fēng)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(fēng)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(shè)計能夠以低于0.031美元/kWh的價格上網(wǎng)，它將使風(fēng)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(fēng)力機能以這種價格水平發(fā)電，在風(fēng)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(wù)，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(fēng)力機技術(shù)的專利。它進行了擴散體流體動力學(xué)的詳細分析，并使用一5m的模型在風(fēng)洞中證實了分析結(jié)果。擴散體位于風(fēng)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(yīng)"有效地使轉(zhuǎn)子周圍的風(fēng)速成倍增加。常規(guī)的風(fēng)力機只能有效地利用轉(zhuǎn)子周圍風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)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(dǎo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)力機有足夠的出力和常規(guī)風(fēng)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(shè)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(fù)合而成。第一層板沿著復(fù)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(xué)工程院對單塊板和裝配好的擴散體扇形段樣品進行了應(yīng)力測試。

    3 設(shè)備平衡 
    除了擴散體增強技術(shù)和材料技術(shù)外，風(fēng)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(dāng)?shù)仉娏�公司�?1kV電網(wǎng)。整流器/換流器設(shè)備由奧克蘭公司Santon技術(shù)有限公司設(shè)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(fēng)載荷下和地震時倒伏。設(shè)備被安裝到一大直徑環(huán)行軌道上，風(fēng)力機可以沿它旋轉(zhuǎn)360度，軌道上的旋轉(zhuǎn)裝置裝有迎風(fēng)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(fēng)力機可以避開大風(fēng)且擴散體罩具有保護轉(zhuǎn)子不受大風(fēng)影響的能力，因而轉(zhuǎn)子設(shè)計簡單不需要控制葉片節(jié)距。這使得該種風(fēng)力機非常適合在大風(fēng)地區(qū)使用，且維修量很小。

    4 設(shè)計的優(yōu)點 
    擴散體增強型風(fēng)力機與常規(guī)風(fēng)力機相比有許多優(yōu)點，包括：
    噪音低。常規(guī)風(fēng)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(shè)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(fēng)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(dāng)從遠距離觀看時能與各種背景相融合，設(shè)備蹲坐的外形與起伏的山村很協(xié)調(diào)。
    可衰減陣風(fēng)。擴散體在增加出力的同時，也作為阻風(fēng)門，衰減陣風(fēng)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(yīng)力。
    鳥類撞擊少。盡管風(fēng)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(fēng)力機葉片的事故。
    基建費用和發(fā)電成本低。風(fēng)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(fēng)地區(qū)，并將確保很高的設(shè)備可用率。

    5 發(fā)展前景
    轉(zhuǎn)子直徑為7m的原型風(fēng)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(shè)計參數(shù)。初步測量數(shù)據(jù)表明，風(fēng)力機轉(zhuǎn)子風(fēng)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(fēng)洞試驗結(jié)果相吻合。
    Vortec Energy公司已獲得新西蘭科學(xué)與技術(shù)研究基金業(yè)務(wù)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(xué)咨詢小組(Auckland Uniservices)提供，另外還邀請了英國國際風(fēng)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(yù)期的相吻合，將來擴散體增強型風(fēng)力機將成為全球風(fēng)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(fēng)險，但它可能獲得高的回報。 

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