动力化风力涡轮机叶片的开发

一项由瑞好专家参与的研究项目


灵感源于自然

鸟儿展翅盘旋,鱼儿摆动鱼鳍来向前或向上游动。在动物王国里,所有利用水流和气流移动的动物都离不开动力。利用仿生学,人类已经学会如何将自然的机制植入到技术开发中,例如带有着陆襟翼的飞机,又或是根据车辆速度移动的汽车气流偏导器。

这些也给了丹麦技术大学(DTU)黑尔格•阿加德•马德森教授将动力学应用于风力发电的灵感。西门子歌美飒(Siemens Gamesa)已经向仿生学迈出了第一步,他们在转子叶片上安装了“恐龙尾”,以减少空气湍流产生的噪音。而瑞好目前正致力于下一阶段的开发:动力化。

目前叶片基本仍为静力化叶片。在一次采访中,马德森教授解释了风力发电动力化的可能性。


丹麦技术大学(DTU)黑尔格•阿加德•马德森(Helge Aagaard Madsen)教授的访谈

采访人:项目经理彼得•米歇尔(Peter Michels)和瑞好企业通讯部Cornelia Martin

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马德森教授,众所周知,风能属于可再生能源,那么您认为风能在未来电力供应方面的潜力如何?

要满足对可再生能源的需求,我们还有大量工作要做。到2050年,太阳能和风能的比例需要从2015年的4.5%提升至60%左右(来源:IRENA,2018b)。

目前欧洲混合电力的比例是多少,在未来这一比例又会是多少?

根据欧洲风能协会的主要展望,到2030年,欧盟装机容量需达到323GW。其中,大约四分之三为陆地风电,另外四分之一为海上风电。这将是2016年末装机容量(160GW)的两倍多。这些发电机组将利用风力发电888 TWh,占欧盟电力需求的30%。

2018年,欧洲的可再生能源的平均份额为14%。丹麦的份额最高,为41%,其次是爱尔兰(28%)和葡萄牙(24%)。德国目前的份额约为14%。

产生这一结果的一个决定性因素是,同时开发储存或保存所产生能源的技术,例如,制氢。

您的研究一共持续了多久?丹麦技术大学、西门子歌美飒和瑞好是如何建立合作关系的?

2006年到2009年,我们在位于罗斯基勒的丹麦技术大学开展了基础性研究。这一系列研究的最终结果可以证明,在风洞中,动力化有助于提高效率。实验室实验结果证明,可变的叶片形状可以增加风力涡轮机的总体能量产额。

瑞好的负责人Martin Heisterberg在报纸上发现了这个项目,并联系了我。这正是一个极好的时机,因为我们的项目刚从丹麦资助计划——能源技术开发与示范计划(EUDP)获得120万欧元,我们正在寻找工业合作伙伴,以证明该项目的技术可行性。

其他公司对此开展过研究吗?

是的,2000年就已经有其他公司得出了理论方法。然而,由于技术实施难度大,我们的研究同事放弃了。

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该项目的特殊之处在哪里?

所有的内容都是特殊的。我们需要重新思考材料、结构和生产,仿佛一切都是虚无缥缈的。但瑞好团队对这项“棘手”的任务保持着开拓精神。

人们对现代风力涡轮机的需求是巨大的。新的叶片表面必须是动力化的,能使用25年,且不含任何金属、金属构件、电线或电子设备。整个系统还必须能够承受强烈的冷热波动。

2014年秋天,我们与瑞好合作实现了flap模型的第一个技术突破——一个能满足所有上述严格要求的挠性软管异型材组合。该解决方案由一个可以充气(使其动力化)的异型材和仅采用机械技术利用压缩空气就能使flap移动的集成软管组成。转向器和压缩空气发生器可以固定在转子叶片的轮毂内。

flap原型被安装在荷兰代尔夫特的一个户外试验场,这个试验场也是项目的一部分。在这里,新的flap技术可以在实践环境中进行测试。测试结果证明,该flap原型可经受实际运行条件。因此,研究中也对高离心负荷和减少波动空气载荷等进行了分析。

您在研究中碰到过挫折吗?

我们为瑞好找到了一种可以抵抗极端条件的材料而感到兴奋。但是在最初,我们也曾因找不到合适的粘合剂将其连接到强力西门子叶片上而感到苦恼,最终我们通过异型材共挤解决了粘合问题。

最后,在2018年,我们正在进行大型涡轮现场测试,但一场突如其来的雷击摧毁了整个系统,导致项目推迟了6个月。

该项目中开发的技术具有哪些效益?

我想通过四个关键标准来描述这些效益:

  1. 稳健耐用——全天候工作,无机械磨损
  2. 易于集成——甚至可以集成到现有的叶片中
  3. 可伸缩——叶片长度不同(60米到100米)
  4. 商业吸引力——可靠的摊销时间

瑞好的专业知识为何如此重要?

瑞好团队能够全身心地投入到我们的研究中,把我们的项目当作他们自己的项目,他们在材料、规划和工艺方面的专业知识令人折服。瑞好公司的研发能力已生根发芽。

接下来的打算是什么?

对于瑞好来说,风力发电项目于2019年秋季进入了第三阶段。这个阶段由西门子歌美飒主导,因为该阶段的重点在于商业化。这一阶段的目标是使风力涡轮机的能效提高8%左右,相当于增加6-15GW(具体取决于涡轮机的大小)。


1) IRENA 2019:可再生能源未来的创新前景——集成可变可再生能源的解决方案
2) 欧洲风能:2030年展望,2017年9月,欧洲风能协会

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