探索研究巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

Blade Dynamics公司成立已有6年，它的所有人之一便是致力于風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，為風(fēng)電場(chǎng)供應(yīng)電子設(shè)備的美國(guó)超導(dǎo)公司（American Superconductor）。Blade Dynamics最近表示已經(jīng)開發(fā)出了一種技術(shù)，可以制造出全球最大的風(fēng)機(jī)葉片。這種技術(shù)已經(jīng)成功生產(chǎn)出了49米長(zhǎng)的葉片。現(xiàn)在，能源技術(shù)研究所（Energy Technologies Institute）已經(jīng)資助Blade Dynamics公司近2500萬美元，用于開發(fā)100米長(zhǎng)的葉片。能源技術(shù)研究所是英國(guó)政府以及一些工業(yè)巨頭，例如英國(guó)石油公司（BP），殼牌（Shell）以及卡特彼勒公司（Caterpillar）的合作伙伴。他們還能制造250米高的風(fēng)機(jī)，這個(gè)高度將會(huì)超過169米的華盛頓紀(jì)念碑。目前最大的風(fēng)機(jī)葉片只有75米長(zhǎng)。

這些工作并不僅僅是為了攀比記錄，吸引眼球。找到一種廉價(jià)的辦法來生產(chǎn)巨形葉片是讓海上風(fēng)機(jī)能夠匹敵化石燃料的最大挑戰(zhàn)之一。風(fēng)電巨頭，例如通用公司（GE）和維斯塔斯（Vestas）都試圖找到解決這個(gè)問題的辦法。

海風(fēng)是一種最佳的風(fēng)力資源，因?yàn)槠滹L(fēng)力相比陸地更穩(wěn)定，更快，擾動(dòng)更少。風(fēng)力發(fā)電機(jī)僅僅占建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)大約三分之一的成本，安裝成本則是主要開支，因?yàn)榘惭b需要專門的巨型船只，并且安裝時(shí)機(jī)也會(huì)因?yàn)閻毫拥奶鞖鈼l件而拖延。使用巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以減少風(fēng)機(jī)數(shù)量，降低安裝和維護(hù)成本。

制造巨型風(fēng)機(jī)的一個(gè)問題是葉片的巨額成本。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)越來越大，葉片承受的風(fēng)載以及承受風(fēng)載時(shí)的葉片重量成指數(shù)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的葉片生產(chǎn)辦法包括葉片成型，也需要和葉片一樣長(zhǎng)。成型設(shè)備和其他制造成型的設(shè)備變得異常巨大，而且又是特殊定制的，所以只有極少數(shù)的供應(yīng)商能夠供貨，這樣就提高了生產(chǎn)設(shè)備的成本。同時(shí)，當(dāng)葉片變得越來越大時(shí)，保證葉片準(zhǔn)確成型也越來越困難。

一些主要的風(fēng)電生產(chǎn)商則堅(jiān)持走增大葉片成型的路子，不過他們采用了碳加強(qiáng)型的玻璃纖維和創(chuàng)新的葉片設(shè)計(jì)，這將抵消一部分增加的生產(chǎn)成本。同時(shí)，他們也希望能通過減少安裝和其他成本來降低總造價(jià)。例如，西門子（Siemens）正在使用大型成型技術(shù)生產(chǎn)75米長(zhǎng)的葉片，維斯塔斯也在為風(fēng)機(jī)研發(fā)80米長(zhǎng)的葉片，明年將會(huì)上市。

與維斯塔斯使用碳加強(qiáng)型玻璃纖維葉片不同，Blade Dynamics公司生產(chǎn)的是完全不使用玻璃纖維的葉片。Blade Dynamics公司已經(jīng)開發(fā)出一些專利技術(shù)，可以制造出12到20米的碳纖維葉片片段，之后把這些葉片無縫粘連起來，這樣就不需要大型成型設(shè)備了。早先的一些對(duì)于葉片模塊化的嘗試使用螺栓將葉片一段段連接起來，但是這么做會(huì)在連接處產(chǎn)生壓力點(diǎn)，這個(gè)問題使葉片很容易被損壞。

碳纖維要比玻璃纖維昂貴，所以對(duì)一定長(zhǎng)度的葉片來說，碳纖維的價(jià)格更高。但是Blade Dynamics公司的高級(jí)技術(shù)經(jīng)理大衛(wèi)克里普斯（DavidCripps）稱，使用碳纖維可以從幾個(gè)方面降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總成本。他說，通過分段生產(chǎn)葉片的方法，可以制造出更精確的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高風(fēng)機(jī)性能。此外，碳纖維比玻璃纖維要輕很多，這樣就可能在現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上應(yīng)用更長(zhǎng)的葉片。例如，公司研制的49米葉片的重量比傳統(tǒng)標(biāo)配的45米葉片還輕。更長(zhǎng)的葉片能從風(fēng)中捕獲更多的能量，從而在低風(fēng)速時(shí)發(fā)出更多電能，增加利潤(rùn)。

更輕的葉片讓新型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)變成了可能。這些新設(shè)計(jì)帶有更輕、更便宜的部件，例如主軸、塔筒和基建。克里普斯說：“相比24噸重的電機(jī)轉(zhuǎn)子，葉片更輕后，你也許只要使用15噸重的轉(zhuǎn)子就可以了。對(duì)于超長(zhǎng)的懸臂塔筒來說，這些重量上的減少至關(guān)重要。”

這些技術(shù)只是美國(guó)超導(dǎo)公司（American Superconductor）10兆瓦風(fēng)機(jī)戰(zhàn)略設(shè)計(jì)的一部分（海上風(fēng)機(jī)通常是3.6兆瓦，或是更為少見的6兆瓦）。該公司現(xiàn)在正在利用超導(dǎo)材料減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重量。根據(jù)公司的說法，正處于研發(fā)階段的10兆瓦風(fēng)機(jī)和5兆瓦風(fēng)機(jī)的重量相仿，這樣就能極大地降低安裝成本。