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风力涡轮机创新设计介绍

供稿人:朱文韵  供稿时间:2010-12-10   关键字:风电机组  叶片  创新设计  
风能的潜在好处,如创造就业机会和减少温室气体排放,正在鼓励许多国家从化石燃料改用这种可再生能源以满足其电力需求。美国和欧洲在未来二十年的目标都是供应30万兆瓦的风力能源。对于美国,需要升级新的每年超过16000兆瓦的风力发电装置容量以满足上述目标。至于欧洲,则需要安装约75000个陆上风力涡轮机(2MW)和15000个海上风力涡轮机(10MW)。然而,越来越大的风力涡轮机的需求,需要更多的技术创新来迎接新的挑战,以提高整体竞争力。
1.风力涡轮机的弊端
除了环境效益和经济效益的考虑,相对于常规发电来说,风力发电的弊端在于维护成本高。
陆上风力发电场往往位于距离需要电力供应的城市非常偏远的地方。连接风力发电场与其供电地区的线路是一项额外成本。海上风电场的投资成本与陆上风电场相比,高出30%~50%。当然,海上更加丰富的风能资源足以弥补两者的投资成本距离。
2.叶片创新设计
制造商改进发电机组的设计,调整螺旋桨叶片的角度,以提高其在低风速时的旋转速度。尽管当风速下降时,涡轮通过增加斜度来平衡发电量,传统的螺旋桨设计还是限制了涡轮的转速。
 
新型风力涡轮机的设计旨在解决三个问题:低风速时运行不稳定;旋风时运行能力差;噪音。加拿大风力涡轮机制造商WhalePower研制了类似鲸鳍的叶片。结节沿螺旋桨的边缘安装,帮助叶片阻断通过的空气,同时吸收风力。结节技术能使叶片倾斜至接近直角的角度来切断空气,类似于座头鲸在一个特定的角度转移它的鳍,以便在水中升降自如。在低风速时接近直角的角度对机组运行很有帮助,可以将风的角度削减40%,优化周围空气的移动速度和角度。加拿大风能协会认为,结节的设计不仅提高了涡轮在不同风速下运转的稳定性和耐用性,而且还降低了噪音。结节增强型叶片增加了20%的产量的同时,减少了因滞留在叶片间的空气而带来的能量损耗。新的转子叶片设计已经吸引了10家大小型涡轮机制造商的兴趣。
3.家用小型风力发电机创新设计
居民可使用家用小型风力发电机以满足其家庭的电力需求。位于美国西雅图的Clarian电力水母就是一个这样的发电机,一个高48英寸的垂直轴风力涡轮机,使用简单,采用即插即用操作系统。该涡轮机组适合家庭和小型企业,每当风吹过时将自动产生能量。
 
这种风力涡轮机是一个类似螺旋海蜇的设计因而得名电力水母。它可以安装在有预接线的屋顶或路灯柱,这是传统的风电机组无法做到的。
 
水母采用转子设计,可吸收来自不同方向的风能。它的叶片运转声音小于生活环境中普通声音(如风吹过树叶),而且它的旋转速度是一个传统涡轮机的速度的一半,可以减少鸟类飞入受伤的可能性。
 
风力发电机组还具有WiFi功能,使用者可以使用特定的桌面软件跟踪和监视系统。它还配备了一个电路保护系统,在发生故障时可以自动切断电源。
 
Clarian电力估计,水母在温和的风力下,每月可以产生40kWh的能量,与普通家用节能灯泡的用电量相同。
 
水母风力发电机组在美国市场的售价是800美元,同时还享受30%的联邦税收,以及其他减税优惠政策。然而,水母风力发电机组的普及还需要美国提高其现有的配电系统——智能电网。涡轮机组的总发电量,预计在13.8亿kWh左右,尚无法满足一个普通美国家庭的全部用电量。
4.便携式设计
美国加州公司生产的高海拔风力发电机组被称为MARS(如图2所示),拥有卓越的可便携式,轻松地解决了移动的问题。MARS是一个光栓水平轴风力涡轮机,内含氮气,可上升至距离地面1000英尺处,比传统风力发电机组更高。
 
由于能达到如此高度,MARS可以更接近电网,其运行效率可提高25%至60%,适应风速范围为每小时4英里至每小时60英里以上。MARS既可以将电能储存在电池里,也可并网立即使用。
 
Magenn电力称,MARS风力涡轮机的马格努斯效应提供额外省力,并保持其稳定,同时具有较低的噪音排放,并减少了导致鸟类和蝙蝠死亡的可能性。
5.高效率设计
Selsam Sky Serpent风力涡轮机的发明者Doug Selsam称,采用的办法是在发电机同一侧轴上安装十几个到几十个不等的小转子连接。7英尺直径的涡轮机的最高发电量是超过31英里/小时,达5033瓦;最低发电量是超过18英里/小时,达1943瓦。在2004年在加利福尼亚州的最新测试显示,在每小时风速32.5英里的情况下,风力发电机组的最高发电量是6000瓦。最低的生产量大约是16英里/小时,1000瓦。为了实现最佳效率,每个转子都调整到最佳角度来接受风能,产率取决于每个转子风别接受来自不同角度的风,这是与传统涡轮机区别所在。
 
参考文献:
 
1.       The Sky Serpent: Twenty-Five Turbines in One, http://www.environmentalgraffiti.com/sciencetech
2.       Magen Power air rotor system, http://www.magenn.com/

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