垂直轴风机降低海上风电成本


  风力涡轮机安装在漂浮浮子上,可以利用公海上更强大更持久的风力。但现在用这种浮子进行深水安装被证明过于昂贵,因为需要用这些浮子使风机保持在水面上,这样的浮子是巨大的。现在,法国的一个项目正在扭转涡轮机设计的方向,因为开发者所希望的是一种低成本的替代选择。

  法国石油和天然气工程公司德希尼布(Technip)公司和风力发电新创企业嫩驽伐公司(Nenuphar)最近发布了垂直风机(Vertiwind),这是一款两兆瓦的风力涡轮机,他们计划漂浮在地中海水域,时间是在2013年底。该项目采用的涡轮机,主旋翼轴(main rotor shaft)是垂直设置,就像一个旋转的陀螺(spinning top),而不是水平的,就像在传统风力发电机组中那样。

  垂直轴设计的好处在于它降低了涡轮机的重心。这款垂直风机的设计有100米高,而发电机重达50吨,被安装在一个密封管内,就在涡轮机旋转叶片的下方,海拔20米的地方。这就使得涡轮机不那么头重脚轻,可以适用小得多的漂浮系统,该系统将只延伸9米到海面以下。

  与此相反,水平轴涡轮机要具有相同的输出功率,叶片就也要达到100米高,需要使它的发电机在海拔60米的地方。德希尼布公司制造了一款浮子,用于2.3兆瓦的水平轴涡轮机样机,样机所有者是挪威能源公司,就是挪威国家石油公司,这款浮子在水面以下延伸了100米。

  “你节省了很多材料,”就是因为垂直轴,斯特凡·希斯(Stephane His)说,他是德希尼布公司生物燃料和可再生能源副总裁。 “但更重要的是,你简化了安装机器本身的过程。”

  德希尼布公司和嫩驽伐公司计划建造两台垂直轴涡轮机,输出功率为每台2兆瓦,一台在陆上一台在海上,费用为2800万美元。这个数字仍然大大超过浅水涡轮机,这种涡轮机安装在海底(耗资约每兆瓦500万美元),但远远低于制造这台样机的大约7000万美元,这台样机属于挪威国家石油公司拥有,用于制造、部署和正在进行的研究。

  因为追求一种垂直轴设计,垂直风机使用的技术几乎都是被弃用的,是陆上风力十多年前弃用的。垂直轴设计固有的属性是距地面低,通常无法匹敌更高的水平风力发电机,水平风机可捕捉更强的大风是因为在更高的海拔。

  这在海上应该不会那么不利,因为风速的增长不会那么依赖高度,在开阔的水面就不能比陆上,沃尔特·穆西尔(Walter Musial)说,他领导的海上风能研究活动属于美国能源部国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory),在科罗拉多州(Colorado)戈尔登(Golden)。

  然而,穆西尔已经怀疑垂直风机追求的设计。很少有大型垂直轴涡轮机制成,都是有一个弯曲的叶片设计,连接到涡轮机的主轴,在顶部和底部都连接叶片,从而均匀地使负载分布于结构上,穆西尔说。但是,垂直风机将使用一种直叶片设计,仅连接中心轴,连接采用的两个支座或支柱靠近叶片底部。

  “这种叶片旋转时会弯曲,这是因为离心力,而这些连接的支柱承载了所有的负荷,”穆西尔说。“这些结合点会越来越受到重创,这就是这个设计最具挑战性的工程方面。”

  嫩驽伐公司首席执行官查尔斯·斯马加(Charles Smadja)说,他相信,这个设计会处理这种压力,所依赖的测试采用了一款35千瓦的样机,这一样机旋转速度更高。但是,斯马加承认,升级到两兆瓦的发电机组,将会提出新的挑战。“你可以适当做的是在一个小尺度,可很难做到非常大的尺度,”他说。