【摘要】第一代商用擴(kuò)散體增強(qiáng)型風(fēng)力機(jī)(DAWT)在新西蘭剛開始兩年試運(yùn)行，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)，這種新設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)可促使風(fēng)電成本大幅度降低。

在距新西蘭奧克蘭南約100km的Waikaretu的一座小山頂上，一臺(tái)革命性的新型風(fēng)力機(jī)正在進(jìn)行為期兩年的試運(yùn)行。這座風(fēng)力機(jī)的外觀與常規(guī)風(fēng)力機(jī)相比完全不同，其高度為17m，很象一巨物蹲在山頂上，而常規(guī)風(fēng)力機(jī)則為一細(xì)長體，高高地矗立在山頂上。

這是投入運(yùn)行的第一代商用擴(kuò)散體增強(qiáng)型風(fēng)力機(jī)(DAWT: diffuser augmented wind turbine)，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)，將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電成本大幅度降低。在試驗(yàn)新的風(fēng)力機(jī)技術(shù)的同時(shí)，也可以試驗(yàn)擴(kuò)散體環(huán)罩的新材料、高強(qiáng)鋼絲纖維加強(qiáng)的鋼筋混凝土。此種風(fēng)力機(jī)在當(dāng)?shù)乇环Q為"混凝土風(fēng)力機(jī)"。在商業(yè)上，它被稱為Vortec7型風(fēng)力機(jī)，因?yàn)樗幸粋€(gè)7m直徑的轉(zhuǎn)子。

風(fēng)力機(jī)由近100家小型投資商組建的私人公司-Vortec能源有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建設(shè)，該公司籌集了350萬美元開發(fā)原型機(jī)。Vortec能源有限公司目前正在進(jìn)一步籌集約700萬美元，擬建設(shè)兩臺(tái)轉(zhuǎn)子直徑為20m的機(jī)組。其中一臺(tái)新機(jī)組將在高風(fēng)速地區(qū)試驗(yàn)，很可能在新西蘭的惠靈頓附近，另一臺(tái)在平均風(fēng)速區(qū)。南澳大利亞州政府已對設(shè)計(jì)表示了很大的興趣并將在Adelaide附近加速安裝平均風(fēng)速機(jī)組，因?yàn)橹菡J(rèn)為風(fēng)力是一種少有的可再生能源，需要從技術(shù)上突破來帶動(dòng)州內(nèi)占優(yōu)勢的較低平均風(fēng)速資源的開發(fā)。

兩臺(tái)新型的轉(zhuǎn)子直徑20m的機(jī)組成功地運(yùn)行后，Vortec能源有限公司將考慮在Nasdaq股票交易所上市的可能性。Vortec7機(jī)組的性能數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)子直徑20m的設(shè)計(jì)能夠以低于0.031美元/kWh的價(jià)格上網(wǎng)，它將使風(fēng)力發(fā)電可與新西蘭現(xiàn)有的電廠相競爭，與其它新的發(fā)電方式相比，更具競爭力。如果Vortec型風(fēng)力機(jī)能以這種價(jià)格水平發(fā)電，在風(fēng)電開發(fā)中它將迅速成為一股強(qiáng)大的新生力量。

Vortec能源有限公司的后盾是企業(yè)家Robin Johannink，他成功地經(jīng)營著一系列業(yè)務(wù)，也是Pacific Lithium公司(一家從海水中提取鋰的公司)的后盾。Johannink先生講Vortec技術(shù)是一項(xiàng)國際產(chǎn)品，但該技術(shù)在新西蘭股票市場上所獲得的認(rèn)可和重視還不太高，難以在此上市。因此Vortec能源有限公司正在考慮在紐約的Nasdaq交易所上市，很可能在1999年實(shí)現(xiàn)。

1 擴(kuò)散體技術(shù)

美國的航天巨頭Grumman空間公司(現(xiàn)在的Northrop Grumman公司)花費(fèi)了8年時(shí)間開發(fā)擴(kuò)散體技術(shù)并擁有擴(kuò)散體增強(qiáng)型風(fēng)力機(jī)技術(shù)的專利。它進(jìn)行了擴(kuò)散體流體動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)分析，并使用一5m的模型在風(fēng)洞中證實(shí)了分析結(jié)果。擴(kuò)散體位于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的下游，其作用就象一個(gè)機(jī)翼，在轉(zhuǎn)子后部產(chǎn)生低壓部位。這種"抽吸效應(yīng)"有效地使轉(zhuǎn)子周圍的風(fēng)速成倍增加。常規(guī)的風(fēng)力機(jī)只能有效地利用轉(zhuǎn)子周圍風(fēng)速的60%左右。圖01示出了擴(kuò)散體的流態(tài)。

擴(kuò)散體經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵在于以最低成本獲得最大的尺寸。風(fēng)洞研究表明在45度擴(kuò)散體結(jié)構(gòu)中，內(nèi)壁附面流可由兩級(jí)風(fēng)槽射流所維持。在該原型中，擴(kuò)散體的總尺寸進(jìn)一步減少，通過采用總長與出口直徑比為30%的弧形結(jié)構(gòu)，環(huán)罩硬度增強(qiáng)。使已選擇的設(shè)計(jì)以最低的材料用量獲得了最大的擴(kuò)散體尺寸。

Vortec能源有限公司獲得了Northrop Grumman公司頒發(fā)的擁有擴(kuò)散體技術(shù)、為期20年的全球?qū)＠麢?quán)及此后20年專利更新權(quán)的許可證。Northrop Grumman公司保留了它們自己內(nèi)部使用擴(kuò)散體增強(qiáng)技術(shù)而不用于風(fēng)能商業(yè)市場的權(quán)利。Kenneth Foreman,原Grumman空間公司研究小組的領(lǐng)導(dǎo)者，為Vortec Energy公司的技術(shù)咨詢，Vortec能源有限公司獲得了Grumman空間公司研究小組8年研究的所有記錄、試驗(yàn)報(bào)告及專利。

2 材料技術(shù)

Grumman空間研究小組在開發(fā)擴(kuò)散體增強(qiáng)技術(shù)中所遇到的一個(gè)問題是商業(yè)規(guī)模風(fēng)力機(jī)材料必須具有強(qiáng)度高、壽命長、成本低的特點(diǎn)。曾對鋁、玻璃纖維、鋼和傳統(tǒng)鋼筋混凝土進(jìn)行過評估和核算，但都不能滿足風(fēng)力機(jī)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的要求。在所有評估的材料中，最可取的是鋼筋混凝土，但使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土，擴(kuò)散體尺寸使風(fēng)力機(jī)額定出力只能達(dá)到70kW。由于機(jī)組規(guī)模太小無法對擴(kuò)散體增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。新西蘭在使用鋼筋混凝土建造水塔和遠(yuǎn)洋快艇之類設(shè)備方面有悠久歷史。在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)工程師Alexander和Associates在20年中開發(fā)了一種新型的產(chǎn)品-高強(qiáng)鋼絲纖維加強(qiáng)的鋼筋混凝土。這種新材料的抗彎強(qiáng)度是低碳鋼的3倍，基本上不需要維修。這種新材料可以經(jīng)濟(jì)地建造較大的擴(kuò)散體，從而使風(fēng)力機(jī)有足夠的出力和常規(guī)風(fēng)力機(jī)相競爭。

原型機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為7m，高度為17m，最高出力為1MW。將要建設(shè)的兩臺(tái)機(jī)組使用20m直徑的轉(zhuǎn)子，高52m，出力為3MW。

擴(kuò)散體使用兩層3m×1m×30mm的高強(qiáng)鋼絲纖維加強(qiáng)的鋼筋混凝土板復(fù)合而成。第一層板沿著復(fù)雜的框架彎成所需的雙向曲面，并固定就位。第二層板放在頂部，彎曲成形，然后在基礎(chǔ)板上灌漿鎖定雙向曲面。再將這些曲面板粘結(jié)到一起，并對其邊緣進(jìn)行硬化處理構(gòu)成擴(kuò)散體扇形段。完整的擴(kuò)散體裝配好之前，在奧克蘭大學(xué)工程院對單塊板和裝配好的擴(kuò)散體扇形段樣品進(jìn)行了應(yīng)力測試。