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棕榈树随风弯,超大型离岸风机的抗台狂想设计
来源:技术质量管理部 日期:2018-06-22 访问次数: 字号:[ ]

风力发电机越高越大,越能有效率汲取高空稳定风能,往离岸发展后,风机规模更是快速膨胀,不过,当风机扇叶长度随着风机规模增大而拉得越来越长,在台风吹袭时,能否承受得住强风的考验,成为产业界与大众都关切的问题,许多抗强风的设计也一一出炉。美国维吉尼亚大学为首的研究团队决定向大自然学习,以棕榈树随风弯曲的概念,打造新一世代的超巨大风机。

这项研究计划始于 2015 年 11 月,研究团队取得美国国防部先进能源计划署(Advanced Research Projects Agency-Energy,ARPA-E)3 年计划经费,研发单架风力发电机名目发电容量高达 50 百万瓦(megawatt)的「分节式超轻可变形风机」(Segmented Ultralight Morphing Rotor,SUMR),除了维吉尼亚大学以外,还有伊利诺斯大学、科罗拉多大学、科罗拉多矿业学院,以及美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)与桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories,SNL)。研究团队也与风机产业界巨头如奇异(GE)、西门子(Siemens)、维斯塔斯(Vestas)密切交流。

研究团队的目标是设计一款 50 百万瓦规模风机,在 2025 年时,将离岸风能的均化成本(levelized cost of energy,LCOE)降低 50%,这款风机不一定效率更高,但是建造与维护成本更低,而为了建造越来越巨大的风机,整个结构设计科技的想法都要与众不同。

当前风机设计上最主要的限制在于叶片重量传递到风机机舱所造成的「全局负载」(global load),尽可能减低扇叶的重量,就能进一步增加风机的大小规模。当前风机扇叶主要材质已经大多为玻璃纤维搭配少量碳纤维,以在质轻强韧与成本间求取平衡,若要进一步降低重量,就要提高碳纤维的比例,但这将提高成本。在这方面,研究团队希望能借助美国能源部资助的另一项降低碳纤维制造成本的研究。

今夏开始测试

50 百万瓦规模风机的扇叶大小将相当可观。2018 年 4 月瑞典瀑布电力(Vattenfall)宣布在苏格兰安装维斯塔斯(Vestas)8.8 百万瓦离岸风机,塔身高 191 米,扇叶长达 80 米,是当前全球已安装最大规模风机,而奇异于 4 月底发布计划,将投资 4 亿美元研发,于 2021 年推出目前全球规划中最大规模的商用风机 Haliade-X,发电容量 12 百万瓦,塔身最高可达海平面上 260 米,扇叶超过百米达 107 米。研究团队要规划 50 百万瓦规模,扇叶预计将会超过 200 米长。

风机扇叶越长,面对强风时,所受的应力也越大,必须更加强韧才能抵挡风力,但增加强度也将增加重量或成本,若以现有风机设计,10~15 百万瓦的风机,其扇叶就要打造得相当坚韧才能抵挡强风,并延后材料在长年累月的强风吹袭下发生疲劳而损坏的时间点,要打造如此强韧的扇叶,增加相当可观的制造与维护成本。

研究团队对此有另外的想法,现有的风机多半采取迎风的态势,但如果不要对抗强风,而是能有如热带常受到台风吹袭的棕榈树一般,受强风吹袭时会顺着风弯曲,减少受风面,如此一来,就不需额外强度,因此能打造超轻的扇叶,而能达成打造超大风机的目标。

研究团队从大自然取经,其风机与一般迎着风不同,而是背着风,且叶片有单关节可摺弯变形,受到强风吹袭时能顺着风收拢起来,如此一来就能大幅减少受风力吹袭的损害。另一方面,扇叶能摺弯,也解决了一部分的物流问题,因为长达 200 米的扇叶几乎难以运送,若能摺弯收起,运送问题可减轻许多。

研究团队计划在 2018 年夏季开始于科罗拉多州,隶属于美国国家可再生能源实验室的国家风能技术中心(National Wind Technology Center)测试,先从五分之一大小的原型机开始,之后放大规模到 13.2 百万瓦、105 米长扇叶的原型机,测试结果出炉后,研究团队将据此修正设计,预定将于 2019 年春正式推出全尺寸大小的原型机。

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