棕櫚樹隨風彎,超大型離岸風機的抗颱狂想設計

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 11 日 8:00 | 分類 環境科學 , 能源科技 , 風力 follow us in feedly

風力發電機越高越大,越能有效率汲取高空穩定風能,往離岸發展後,風機規模更是快速膨脹,不過,當風機扇葉長度隨著風機規模增大而拉得越來越長,在颱風吹襲時,能否承受得住強風的考驗,成為產業界與大眾都關切的問題,許多抗強風的設計也一一出爐。美國維吉尼亞大學為首的研究團隊決定向大自然學習,以棕櫚樹隨風彎曲的概念,打造新一世代的超巨大風機。



這項研究計畫始於 2015 年 11 月,研究團隊取得美國國防部先進能源計畫署(Advanced Research Projects Agency-Energy,ARPA-E)3 年計畫經費,研發單架風力發電機名目發電容量高達 50 百萬瓦(megawatt)的「分節式超輕可變形風機」(Segmented Ultralight Morphing Rotor,SUMR),除了維吉尼亞大學以外,還有伊利諾斯大學、科羅拉多大學、科羅拉多礦業學院,以及美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)與桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories,SNL)。研究團隊也與風機產業界巨頭如奇異(GE)、西門子(Siemens)、維斯塔斯(Vestas)密切交流。

研究團隊的目標是設計一款 50 百萬瓦規模風機,在 2025 年時,將離岸風能的均化成本(levelized cost of energy,LCOE)降低 50%,這款風機不一定效率更高,但是建造與維護成本更低,而為了建造越來越巨大的風機,整個結構設計科技的想法都要與眾不同。

當前風機設計上最主要的限制在於葉片重量傳遞到風機機艙所造成的「全局負載」(global load),盡可能減低扇葉的重量,就能進一步增加風機的大小規模。當前風機扇葉主要材質已經大多為玻璃纖維搭配少量碳纖維,以在質輕強韌與成本間求取平衡,若要進一步降低重量,就要提高碳纖維的比例,但這將提高成本。在這方面,研究團隊希望能借助美國能源部資助的另一項降低碳纖維製造成本的研究。

今夏開始測試

50 百萬瓦規模風機的扇葉大小將相當可觀。2018 年 4 月瑞典瀑布電力(Vattenfall)宣布在蘇格蘭安裝維斯塔斯(Vestas)8.8 百萬瓦離岸風機,塔身高 191 公尺,扇葉長達 80 公尺,是當前全球已安裝最大規模風機,而奇異於 4 月底發表計畫,將投資 4 億美元研發,於 2021 年推出目前全球規劃中最大規模的商用風機 Haliade-X,發電容量 12 百萬瓦,塔身最高可達海平面上 260 公尺,扇葉超過百公尺達 107 公尺。研究團隊要規劃 50 百萬瓦規模,扇葉預計將會超過 200 公尺長。

風機扇葉越長,面對強風時,所受的應力也越大,必須更加強韌才能抵擋風力,但增加強度也將增加重量或成本,若以現有風機設計,10~15 百萬瓦的風機,其扇葉就要打造得相當堅韌才能抵擋強風,並延後材料在長年累月的強風吹襲下發生疲勞而損壞的時間點,要打造如此強韌的扇葉,增加相當可觀的製造與維護成本。

研究團隊對此有另外的想法,現有的風機多半採取迎風的態勢,但如果不要對抗強風,而是能有如熱帶常受到颱風吹襲的棕櫚樹一般,受強風吹襲時會順著風彎曲,減少受風面,如此一來,就不需額外強度,因此能打造超輕的扇葉,而能達成打造超大風機的目標。

研究團隊從大自然取經,其風機與一般迎著風不同,而是背著風,且葉片有單關節可摺彎變形,受到強風吹襲時能順著風收攏起來,如此一來就能大幅減少受風力吹襲的損害。另一方面,扇葉能摺彎,也解決了一部分的物流問題,因為長達 200 公尺的扇葉幾乎難以運送,若能摺彎收起,運送問題可減輕許多。

研究團隊計劃在 2018 年夏季開始於科羅拉多州,隸屬於美國國家可再生能源實驗室的國家風能技術中心(National Wind Technology Center)測試,先從五分之一大小的原型機開始,之後放大規模到 13.2 百萬瓦、105 公尺長扇葉的原型機,測試結果出爐後,研究團隊將據此修正設計,預定將於 2019 年春正式推出全尺寸大小的原型機。

(首圖來源:pixabay