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2019-11-06 11:09:06

垂直轴风力涡轮机的海上使用更加紧密

桑迪亚国家实验室的风能研究人员正在重新评估垂直轴风力涡轮机(VAWT),以帮助解决海上微风产生能量的一些问题。

虽然VAWT自桑迪亚及其他地方风能研究的早期阶段就已存在,但VAWT架构可能会改变海上风能技术。

由于安装和操作方面的挑战,海上风电的经济性与陆基涡轮机不同。VAWT提供三大优势,可以降低风能成本:较低的涡轮重心; 降低机器复杂性; 并且可以扩展到非常大的尺寸。

较低的重心意味着漂浮稳定性和较低的重力疲劳载荷。

此外,VAWT上的动力传动系统位于或靠近地面,可能使维护更容易,耗时更少。更少的零件,更低的疲劳载荷和更简单的维护都可以降低维护成本。

优雅简约

桑迪亚正在根据2011年美国能源部(DOE)征求美国海上风力发电先进转子技术的要求进行研究。这个为期五年,耗资410万美元的项目于今年1月开始。

风能技术经理Dave Minster表示,桑迪亚的风能计划旨在解决增加低碳发电使用的国家能源挑战。

“VAWT在机械简单性方面非常优雅,”Sandia的两位主要研究人员之一Josh Paquette表示。“它们的零件数量较少,因为它们不需要控制系统就可以将它们指向吹来的风来发电。”

这些特性符合海上风的设计约束:支撑结构的高成本; 需要简单,可靠的设计; 和经济规模相比,当前陆基设计要求更大的机器。

超过300米的大型海上VAWT叶片的生产成本将高于陆上风力涡轮机的叶片。但随着机器及其基础变得越来越大 - 接近10-20兆瓦(MW)的规模 - 涡轮机和转子在海上涡轮机的整体系统成本中所占比例要小得多,因此VAWT架构的其他好处可能更多而不是抵消增加的转子成本。

挑战仍然存在

然而,在VAWT可用于大规模海上发电之前,挑战仍然存在。

弯曲的VAWT刀片很复杂,制造困难。生产非常长的VAWT刀片需要创新的工程解决方案。该项目的另一位首席研究员Matt Barone表示,合作伙伴爱荷华州立大学和TPI复合材料公司将探索新技术,以前所未有的规模制造几何形状复杂的VAWT叶片形状,但成本可接受。

VAWT叶片还必须克服传动系统上的循环加载问题。与水平轴风力涡轮机(HAWT)不同,水平轴风力涡轮机(HAWT)在风保持稳定时保持稳定的扭矩,VAWT根据叶片处于逆风还是顺风位置,为每个叶片提供两个“脉冲”的扭矩和功率。这种“扭矩波动”导致不稳定的负载,这可能导致动力传动系统疲劳。该项目将评估新的转子设计,以平滑这些扭矩振荡的幅度,而不会显着增加转子成本。

由于第一代VAWT开发已在几十年前结束,因此更新的设计必须包含已在当前HAWT设计中构建的数十年的研究和开发。重振VAWT研究意味着找出有助于加快涡轮机设计工作的模型。

“支持这项研究工作将是一项工具开发工作,将合成和增强现有的空气动力学和结构动力学代码,为VAWT创建一个公开的气动弹性设计工具,”Barone说。

需要:空气动力制动

另一个挑战是刹车。较旧的VAWT设计没有空气动力制动系统,仅依赖于机械制动系统,该系统比HAWT上使用的空气动力制动器更难维护且不太可靠。

HAWTS使用可变桨叶片,它可以在不损坏涡轮机的情况下使涡轮机在一到两圈内停止运转,并且基于多种冗余的故障安全设计。Barone表示,新的VAWT设计需要坚固的空气动力制动器,这种制动器可靠且具有成本效益,其辅助机械制动器与现代HAWT非常相似。与HAWT制动器不同,新型VAWT制动器不会有主动俯仰叶片,它们有自己的可靠性和维护问题。

VAWT技术:桑迪亚的悠久历史

在20世纪70年代和80年代,当风能研究处于起步阶段时,VAWT被积极开发为风力发电机。虽然看起来很奇怪,但他们还是有很多东西:他们比水平轴表兄弟更简单,所以他们往往更可靠。有一段时间,VAWT对HAWT采取了自己的行动。但随后风力涡轮机规模扩大。

“在过去15年中,HAWT成为陆基风的主要技术,这主要归功于1至5兆瓦规模的转子成本优势,”Paquette说。

在20世纪80年代,研究更多地集中在HAWT涡轮机上,许多VAWT制造商离开了这个行业,将VAWT托付给风能博物馆的“跑步者”。

但变革之风再次吹响了VAWT的方式。

桑迪亚正在挖掘其丰富的风能历史。风能研究人员是最初的风能工程师,他们正在经历数十年的桑迪亚研究并汇编经验教训,并确定了20世纪90年代桑迪亚VAWT研究结束时描述的一些关键未知数。

该计划的第一阶段将持续两年,将涉及创建若干概念设计,通过现代建模软件运行这些设计,并将这些设计选项缩小为单一,最可行的设计。在此阶段,Paquette,Barone及其同事将研究所有类型的气动弹性转子设计,包括HVAWT和V形VAWT。但早期最喜欢的转子类型是Darrieus设计。

在第二阶段,研究人员将在三年内构建所选设计,最终在涡轮机必须在海上环境中承受的极端条件下进行测试。

除转子设计外,该项目还将考虑不同的基础设计:早期的候选设计是驳船设计,张力腿平台和翼梁浮标。

项目合作伙伴将致力于许多要素。

另一个合作伙伴,缅因大学,将开发浮动VAWT平台动力学代码和子尺度原型风/波盆测试。爱荷华州立大学将开发海上VAWT叶片制造技术和次级风洞测试。TPI Composites将设计概念验证子量程刀片并制定商业化计划。TU-Delft将致力于气动弹性设计和优化工具开发和建模。德克萨斯A&M大学将致力于气动弹性设计工具的开发。

“最终,所有这些都与能源成本有关。所有这些决策都需要导致设计高效且经济可行,”Paquette说。

桑迪亚国家实验室是由洛克希德马丁公司的全资子公司桑迪亚公司为美国能源部国家核安全管理局运营的多项目实验室。桑迪亚的主要设施位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚的利弗莫尔,在国家安全,能源和环境技术以及经济竞争力方面负有重要的研发责任。