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能提供低成本风电的新型风力机

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

作者: Bruce Cole
【摘要】第一代商用扩散体增强型风力机(DAWT)在新西兰刚开始两年试运行,如果开发者的预期结果得以实现,这种新设计的风力机可促使风电成本大幅度降低。

在距新西兰奥克兰南约100km的Waikaretu的一座小山顶上,一台革命性的新型风力机正在进行为期两年的试运行。这座风力机的外观与常规风力机相比完全不同,其高度为17m,很象一巨物蹲在山顶上,而常规风力机则为一细长体,高高地矗立在山顶上。
    这是投入运行的第一代商用扩散体增强型风力机(DAWT: diffuser augmented wind turbine),如果开发者的预期结果得以实现,将导致风力发电成本大幅度降低。在试验新的风力机技术的同时,也可以试验扩散体环罩的新材料、高强钢丝纤维加强的钢筋混凝土。此种风力机在当地被称为"混凝土风力机"。在商业上,它被称为Vortec7型风力机,因为它有一个7m直径的转子。
    风力机由近100家小型投资商组建的私人公司-Vortec能源有限公司负责设计和建设,该公司筹集了350万美元开发原型机。Vortec能源有限公司目前正在进一步筹集约700万美元,拟建设两台转子直径为20m的机组。其中一台新机组将在高风速地区试验,很可能在新西兰的惠灵顿附近,另一台在平均风速区。南澳大利亚州政府已对设计表示了很大的兴趣并将在Adelaide附近加速安装平均风速机组,因为州政府认为风力是一种少有的可再生能源,需要从技术上突破来带动州内占优势的较低平均风速资源的开发。
    两台新型的转子直径20m的机组成功地运行后,Vortec能源有限公司将考虑在Nasdaq股票交易所上市的可能性。Vortec7机组的性能数据表明,转子直径20m的设计能够以低于0.031美元/kWh的价格上网,它将使风力发电可与新西兰现有的电厂相竞争,与其它新的发电方式相比,更具竞争力。如果Vortec型风力机能以这种价格水平发电,在风电开发中它将迅速成为一股强大的新生力量。
    Vortec能源有限公司的后盾是企业家Robin Johannink,他成功地经营着一系列业务,也是Pacific Lithium公司(一家从海水中提取锂的公司)的后盾。Johannink先生讲Vortec技术是一项国际产品,但该技术在新西兰股票市场上所获得的认可和重视还不太高,难以在此上市。因此Vortec能源有限公司正在考虑在纽约的Nasdaq交易所上市,很可能在1999年实现。

    1 扩散体技术 
    美国的航天巨头Grumman空间公司(现在的Northrop Grumman公司)花费了8年时间开发扩散体技术并拥有扩散体增强型风力机技术的专利。它进行了扩散体流体动力学的详细分析,并使用一5m的模型在风洞中证实了分析结果。扩散体位于风力机转子的下游,其作用就象一个机翼,在转子后部产生低压部位。这种"抽吸效应"有效地使转子周围的风速成倍增加。常规的风力机只能有效地利用转子周围风速的60%左右。<图01>示出了扩散体的流态。
    扩散体经济性的关键在于以最低成本获得最大的尺寸。风洞研究表明在45度扩散体结构中,内壁附面流可由两级风槽射流所维持。在该原型中,扩散体的总尺寸进一步减少,通过采用总长与出口直径比为30%的弧形结构,环罩硬度增强。使已选择的设计以最低的材料用量获得了最大的扩散体尺寸。
    Vortec能源有限公司获得了Northrop Grumman公司颁发的拥有扩散体技术、为期20年的全球专利权及此后20年专利更新权的许可证。Northrop Grumman公司保留了它们自己内部使用扩散体增强技术而不用于风能商业市场的权利。Kenneth Foreman,原Grumman空间公司研究小组的领导者,为Vortec Energy公司的技术咨询,Vortec能源有限公司获得了Grumman空间公司研究小组8年研究的所有记录、试验报告及专利。

    2 材料技术 
    Grumman空间研究小组在开发扩散体增强技术中所遇到的一个问题是商业规模风力机材料必须具有强度高、寿命长、成本低的特点。曾对铝、玻璃纤维、钢和传统钢筋混凝土进行过评估和核算,但都不能满足风力机经济开发的要求。在所有评估的材料中,最可取的是钢筋混凝土,但使用传统的钢筋混凝土,扩散体尺寸使风力机额定出力只能达到70kW。由于机组规模太小无法对扩散体增强技术进行商业开发。
    新西兰在使用钢筋混凝土建造水塔和远洋快艇之类设备方面有悠久历史。在此基础上,结构工程师Alexander和Associates在20年中开发了一种新型的产品-高强钢丝纤维加强的钢筋混凝土。这种新材料的抗弯强度是低碳钢的3倍,基本上不需要维修。这种新材料可以经济地建造较大的扩散体,从而使风力机有足够的出力和常规风力机相竞争。
原型机转子直径为7m,高度为17m,最高出力为1MW。将要建设的两台机组使用20m直径的转子,高52m,出力为3MW。

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