【摘要】第一代商用擴散體增強型風力機(DAWT)在新西蘭剛開始兩年試運行，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實現(xiàn)，這種新設(shè)計的風力機可促使風電成本大幅度降低。

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

這是投入運行的第一代商用擴散體增強型風力機(DAWT: diffuser augmented wind turbine)，如果開發(fā)者的預(yù)期結(jié)果得以實現(xiàn)，將導(dǎo)致風力發(fā)電成本大幅度降低。在試驗新的風力機技術(shù)的同時，也可以試驗擴散體環(huán)罩的新材料、高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土。此種風力機在當?shù)乇环Q為"混凝土風力機"。在商業(yè)上，它被稱為Vortec7型風力機，因為它有一個7m直徑的轉(zhuǎn)子。

風力機由近100家小型投資商組建的私人公司-Vortec能源有限公司負責設(shè)計和建設(shè)，該公司籌集了350萬美元開發(fā)原型機。Vortec能源有限公司目前正在進一步籌集約700萬美元，擬建設(shè)兩臺轉(zhuǎn)子直徑為20m的機組。其中一臺新機組將在高風速地區(qū)試驗，很可能在新西蘭的惠靈頓附近，另一臺在平均風速區(qū)。南澳大利亞州政府已對設(shè)計表示了很大的興趣并將在Adelaide附近加速安裝平均風速機組，因為州政府認為風力是一種少有的可再生能源，需要從技術(shù)上突破來帶動州內(nèi)占優(yōu)勢的較低平均風速資源的開發(fā)。

兩臺新型的轉(zhuǎn)子直徑20m的機組成功地運行后，Vortec能源有限公司將考慮在Nasdaq股票交易所上市的可能性。Vortec7機組的性能數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)子直徑20m的設(shè)計能夠以低于0.031美元/kWh的價格上網(wǎng)，它將使風力發(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型風力機能以這種價格水平發(fā)電，在風電開發(fā)中它將迅速成為一股強大的新生力量。

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)是一項國際產(chǎn)品，但該技術(shù)在新西蘭股票市場上所獲得的認可和重視還不太高，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年實現(xiàn)。

1 擴散體技術(shù)

美國的航天巨頭Grumman空間公司(現(xiàn)在的Northrop Grumman公司)花費了8年時間開發(fā)擴散體技術(shù)并擁有擴散體增強型風力機技術(shù)的專利。它進行了擴散體流體動力學(xué)的詳細分析，并使用一5m的模型在風洞中證實了分析結(jié)果。擴散體位于風力機轉(zhuǎn)子的下游，其作用就象一個機翼，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)子周圍的風速成倍增加。常規(guī)的風力機只能有效地利用轉(zhuǎn)子周圍風速的60%左右。圖01示出了擴散體的流態(tài)。

擴散體經(jīng)濟性的關(guān)鍵在于以最低成本獲得最大的尺寸。風洞研究表明在45度擴散體結(jié)構(gòu)中，內(nèi)壁附面流可由兩級風槽射流所維持。在該原型中，擴散體的總尺寸進一步減少，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。使已選擇的設(shè)計以最低的材料用量獲得了最大的擴散體尺寸。

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)部使用擴散體增強技術(shù)而不用于風能商業(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、試驗報告及專利。

2 材料技術(shù)

Grumman空間研究小組在開發(fā)擴散體增強技術(shù)中所遇到的一個問題是商業(yè)規(guī)模風力機材料必須具有強度高、壽命長、成本低的特點。曾對鋁、玻璃纖維、鋼和傳統(tǒng)鋼筋混凝土進行過評估和核算，但都不能滿足風力機經(jīng)濟開發(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，擴散體尺寸使風力機額定出力只能達到70kW。由于機組規(guī)模太小無法對擴散體增強技術(shù)進行商業(yè)開發(fā)。新西蘭在使用鋼筋混凝土建造水塔和遠洋快艇之類設(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-高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土。這種新材料的抗彎強度是低碳鋼的3倍，基本上不需要維修。這種新材料可以經(jīng)濟地建造較大的擴散體，從而使風力機有足夠的出力和常規(guī)風力機相競爭。

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

擴散體使用兩層3m×1m×30mm的高強鋼絲纖維加強的鋼筋混凝土板復(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，并對其邊緣進行硬化處理構(gòu)成擴散體扇形段。完整的擴散體裝配好之前，在奧克蘭大學(xué)工程院對單塊板和裝配好的擴散體扇形段樣品進行了應(yīng)力測試。