竖轴风力发电机 高效利用近海风能发电

　　在人们大力推广陆基横轴风力发电机(HAWTs)系统的今天，美国能源部桑迪亚国家实验室风能研究人员则开始重新评估竖轴风力发电机(VAWTs)，目的是解决困扰利用近海微风发电中的难题。事实上，无论是桑迪亚国家实验室还是其他研究机构，在人们开始研究风力的时候，竖轴风力发电机就是关注的对象。

　　竖轴风力发电机存在着三方面的优势，它们分别是发电机设备的重心低、构造相对简单、更容易向大尺寸发展。研究人员认为，竖轴风力发电机重心较低意味着能够改善在海上漂浮的稳定性和降低重心疲劳负荷。此外，竖轴风力发电机的动力传动系统接近海平面，有望更容易维修并更快被利用。竖轴风力发电机部件更少且疲劳负荷低和维修容易降低了维护成本。

　　结构简单

　　在美国能源部的支持下，桑迪亚国家实验室目前在为美国近海风力发电机系统开发先进的转子技术，此项为期5年、投资达410万美元的研究始于今年1月。桑迪亚国家实验室风能项目风能技术经理大卫?敏斯特表示，风能项目的目标是加强低碳发电的应用，应对全国能源面临的挑战。

　　桑迪亚国家实验室研究项目负责人之一乔希?帕奎特说，从机械简明性的角度看，竖轴风力发电机十分可取。因为它们发电时不需要将叶片指向风向的控制系统，所以它们的部件要少于常见的横轴风力发电系统。

　　在研究人员看来，近海风能发电系统的设计必须解决支撑结构高成本的问题，并能满足简单且可靠的要求，同时在设备尺寸超过陆基风力发电系统的情况下仍能实现可盈利运行。

　　大型近海竖轴风力发电机的叶片长度超过300米后，叶片的制造成本将超过陆基风力发电机叶片的制造成本。然而，随着发电系统和其基底变大，涡轮机和转子占整个系统成本的比例却在减少，因此竖轴风力发电机结构的其他好处将会抵消叶片成本的增加。

　　重重难题

　　当然，在竖轴风力发电机系统大规模应用于近海发电前，人们还面临着种种需要解决的难题。

　　首先，竖轴风力发电机叶片具有十分复杂的弧形表面，其生产难度高。制造超长的竖轴风力发电机叶片需要创新的工程手段，对此，桑迪亚国家实验室另一位项目负责人马特?巴罗内表示，爱荷华州立大学和TPI复合材料公司将研发新的技术以帮助生产几何形状复杂的竖轴风力发电机叶片，它们的目标是以能够承受的成本生产尺寸超大的产品。

　　其次，竖轴风力发电机系统必须解决叶片附加给动力传动系统循环荷载的问题。当风力稳定时，横轴风力发电机扭矩也保持稳定。竖轴风力发电机则不同，因为每个叶片有两个扭矩和动力“脉冲”，这取决于叶片是处于逆风还是顺风的位置。这种扭矩波动的结果给叶片带来了不稳定的荷载，能导致动力传动系统出现疲劳。研究人员将评估新的转子设计，了解在保持转子成本较少增加的情况下，能否消除周期性扭矩“脉冲”的影响。

　　由于第一代竖轴风力发电机的开发结束于数10年前，因此新的竖轴风力发电机设计必须结合最近数10年来人们在现代横轴风力发电机设计中取得的研发成果。重新评估竖轴风力发电机研究意味着寻求可帮助加快风力发电机设计的新模式。巴罗内认为，加强这项研究的努力将成为综合和提高现有空气动力学和结构动力标准，开发面向大众的竖轴风力发电机空气动力设计工具。

　　另一个挑战则是制动系统。过去的竖轴风力发电机设计没有空气动力制动系统，仅仅依靠机械制动系统，这种系统与用于横轴风力发电机的空气动力制动系统相比，不仅不易维护，而且可靠性较差。

　　横轴风力发电机利用具有自动防故障能力的坠落叶片，能够在1至2秒钟内停止转动，同时不会损坏发电机。巴罗内表示，新的竖轴风力发电机设计需要稳固、可靠和成本低的空气动力制动系统，同时，与横轴风力发电机一样也需备有机械制动系统。

　　经验积累

　　上世纪70年代和80年代，当风能研究处于初期时，人们就开始开发竖轴风力发电机系统。虽然看上去竖轴风力发电机外形有点怪异，但由于它相对横轴风力发电机系统要简单而更可靠，因此仍成为人们开发的对象。有段时间，竖轴风力发电机的开发曾占据了上风，不过随后横轴风力发电机系统出现了大规模的发展。

　　帕奎特表示，在过去15年间，横轴风力发电机成为陆基风力发电的主导技术，其主要原因是在1至5兆瓦的装机容量范围内，横轴风力发电机转子成本具有明显的优势。80年代，人们研究的重点是更加庞大的横轴风力发电涡轮机，众多的竖轴风力发电机制造商因此悄然退出，竖轴风力发电机似乎就此成为失败者进入风能博物馆。

　　然而，峰回路转，现在竖轴风力发电机又重新回到人们的视野中。桑迪亚国家实验室利用其丰富的风能研究经验，汇集过去的知识，总结90年代研究的成果，提出了几个关键的问题。

　　桑迪亚国家实验室研究项目的第一阶段为期2年，其包括开发几种概念设计，并通过计算机模型来验证这些设计，从中优化出一种最有希望获得成功的设计。在这个阶段，研究人员将分析各种类型的气动弹性转子设计。然而，早期中意的转子类型是达里厄设计。

　　研究项目的第二阶段为期3年，目标是将选择出来的设计实物化，并最终在苛刻的条件下进行测试，因为发电机必须经受得住近海环境的考验。

　　除转子设计外，研究项目还将仔细考量不同的发电系统基底设计，早期的设计包括驳船式、张力支架平台式和柱形浮标式。

　　研究项目的合作机构将完成其他的工作。例如，缅因大学的任务是开发海上漂浮竖轴风力发电机平台动态标准和小型化原型机的风/浪水池测试;爱荷华州立大学开发近海竖轴风力发电机叶片的制造技术，并对小尺寸叶片进行风洞测试;德州农机大学负责气动弹性设计工具的开发;荷兰代尔夫特理工学院承担气动弹性设计及优化工具开发和模型构建。帕奎特表示，从根本上讲，这些都是针对能源的成本，获得高效且可行的竖轴风力发电系统设计。