美國風電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來迅猛發(fā)展的時代。
在過去的9年中，美國可再生能源的總量增長了3倍之多，而其中風能和太陽能當居首功。嘗到了“甜頭”的美國風電產(chǎn)業(yè)正計劃部署和利用更多的風能，而降低成本的最佳方式之一，便是打造更大的渦輪機。
于是，人們看到了一個有趣的趨勢：伴隨著科學技術的發(fā)展，在許多設備都變得越來越迷你的當下，風力渦輪機卻越來越高，直沖云霄。其中，由美國弗吉尼亞大學研究人員帶領的包括6個機構(gòu)在內(nèi)的聯(lián)合團隊，就在想方設法地打造一個規(guī)模大得嚇人的風力渦輪機：一片風葉長達200米，渦輪機總體高度達到500米，甚至比美國帝國大廈還高57米。
“大了更好”
與15~20年前相比，如今的風力渦輪機總體規(guī)模已經(jīng)大了不少。
目前，風力渦輪機的高度通常在70米左右，葉輪長50米左右。風力渦輪機的電能輸出取決于其規(guī)模和高度，通常來說其電力在1~5兆瓦之間，位于較高電量一端時，它們足以提供1100戶人家所需的電量。
“使用更大規(guī)模的風力渦輪機的原因與經(jīng)濟有很大關系。”美國紐約州立大學布法羅分校機械與航空航天工程學院助理教授John Hall解釋說。大型風力渦輪機的葉輪更大，在較高海拔時會更加穩(wěn)定，因此成本效益更高。正如該項目負責人、美國能源部高級研究計劃局的Eric Loth所說的，更高的渦輪機能夠“捕集更多的能量”。
“大了更好”的另外一個原因，在于更高的塔樓能擁有更長的葉輪，更長的渦輪葉片能更有效地捕捉風能，因為渦輪機的發(fā)電量與其“掃略面積”——渦輪葉片旋轉(zhuǎn)所覆蓋的區(qū)域——直接相關。美國馬薩諸塞大學羅威爾分校風能中心主任、機械工程師Christopher Niezrecki解釋說，這一關系并非線性的，如果葉片長度加倍，一個風力發(fā)電系統(tǒng)將能產(chǎn)生4倍的能量。
Loth團隊計劃設計一個葉片長200米的50兆瓦的風電系統(tǒng)，它比目前的風力渦輪機大得多。如果能夠成功，他們認為該渦輪機的能量會比現(xiàn)有設備強10倍。
研究人員并不是簡單地擴大傳統(tǒng)風力渦輪機的規(guī)模，而是從根本上改變了渦輪機的結(jié)構(gòu)。這個全球最大的機器只有2個葉片，而非傳統(tǒng)渦輪機的3個，這一改變能夠幫助其減輕結(jié)構(gòu)重量并降低成本。Loth表示，減少葉片的數(shù)量通常會讓一個渦輪機效率降低，但他所在團隊正在利用一個先進的渦輪氣動設計來彌補相應的損失。
自然賦予靈感
根據(jù)Loth的介紹，研究團隊還設想將這個龐然大物矗立于距離海岸線至少80公里外的海面上。一方面是因為那里的風更大，另一方面也可以使陸地上的人們免受噪音的干擾。
但是，團隊屬意的這些地區(qū)，比如靠近大西洋的美國東海岸地區(qū)等等，卻也恰好是強有力的暴風雨經(jīng)常“光臨”的區(qū)域。于是，Loth的研究團隊陷入了一個兩難的境地：既要建造一個不折不扣的龐然大物，卻又需要它相對較輕，以至于能在颶風襲擊時依然保有靈活性。
為了解決這個棘手的問題，Loth的團隊將目光轉(zhuǎn)向自然界，尋找設計解決方案。而實際上，自然確實賜予了他們靈感。“棕櫚樹非常高大，但其結(jié)構(gòu)卻很輕。一旦遭遇強風，樹干就可以彎曲。我們試圖用同樣的概念來設計我們的風力渦輪機，使其具有一定的靈活性，能夠彎曲以適應氣流。”
與傳統(tǒng)的風力渦輪機將葉片安裝在上風處不同，在Loth團隊的最新設計中，兩個葉片被安裝于渦輪機的下風處。并且與棕櫚樹相似，渦輪機的葉片也會隨著風向而改變形狀。
對于這樣的設計，Loth給出了解釋。當葉片以順風的角度向后彎曲時，葉片會適應高風速，并開始折疊，所以它們的動力就會減弱，因此不需要使用更重或更強的材料來建造，從而節(jié)省成本。同時，這種設計還減少了強風將旋轉(zhuǎn)的葉片彎曲而砸到塔上的可能性，避免了整個結(jié)構(gòu)被破壞。
“我們希望我們的渦輪機能夠在非作業(yè)的條件下承受住大于253公里/時的風速。”而事實上，一旦風速超過80~95公里/時，渦輪機的系統(tǒng)就會自動關閉，葉片也會彎曲折疊，從而使裝置能夠抵御住狂風。
道阻且長
500米高的風力渦輪機仍面臨諸多挑戰(zhàn)，畢竟這樣巨大的尺寸前所未有。
“如何制造200米長的葉片？如何將它們安裝在一起？如何將這么高的塔豎立起來？此外，離岸風電又帶來了額外的難題。”Niezrecki表示。
研究團隊試圖設計出一個分段的葉片，這樣就能夠在現(xiàn)場組裝。但Niezrecki也坦言，目前風電行業(yè)還沒有找到具體的葉片分段方法。“有許多研究問題需要解決。”他表示，“這肯定是高風險的，但也有高回報的可能。我不認為這些問題是無法克服的。”
Hall則還在思考另外一個問題，即500米高是否是巨型渦輪機的最佳尺寸。“我們知道變大是好的，但問題在于到底應該多大？我們需要找到這個最佳點。我們將會從這個項目中收獲良多。”
目前，Loth和他的團隊尚未開始原型測試，他們正在忙著設計風力渦輪機的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并計劃在今年夏天打造出一個直徑約2米的小模型。而明年這個時候，他們預備建造一個葉片長度約20米的稍大版本的模型，并在美國科羅拉多進行測試。
雖然連Loth自己也不能100%地肯定他的團隊一定能將這個龐大的渦輪機變成現(xiàn)實，但他認為值得一試。“這是一個新的概念，所以不能保證它絕對可行。但一旦成為現(xiàn)實，它將帶來一場海上風電的變革。”■