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1擴散體技術

美國的航天巨頭Grumman空間公司（現在的NorthropGrumman公司）花費了8年時間開發擴散體技術并擁有擴散體增強型風力機技術的專利。它進行了擴散體流體動力學的詳細分析，并使用一5m的模型在風洞中證實了分析結果。擴散體位于風力機轉子的下游，其作用就象一個機翼，在轉子后部產生低壓部位。這種"抽吸效應"有效地使轉子周圍的風速成倍增加。常規的風力機只能有效地利用轉子周圍風速的60%左右。<圖01>示出了擴散體的流態。

擴散體經濟性的關鍵在于以最低成本獲得最大的尺寸。風洞研究表明在45度擴散體結構中，內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%的弧形結構，環罩硬度增強。使已選擇的設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NorthropGrumman公司頒發的擁有擴散體技術、為期20年的全球專利權及此后20年專利更新權的許可證。NorthropGrumman公司保留了它們自己內部使用擴散體增強技術而不用于風能商業市場的權利。KennethForeman,原Grumman空間公司研究小組的領導者，為VortecEnergy公司的技術咨詢，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

Grumman空間研究小組在開發擴散體增強技術中所遇到的一個問題是商業規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、鋼和傳統鋼筋混凝土進行過評估和核算，但都不能滿足風力機經濟開發的要求。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。由于機組規模太小無法對擴散體增強技術進行商業開發。

新西蘭在使用鋼筋混凝土建造水塔和遠洋快艇之類設備方面有悠久歷史。在此基礎上，結構工程師Alexander和Associates在20年中開發了一種新型的產品-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風力機相競爭。

原型機轉子直徑為7m，高度為17m，最高出力為1MW。將要建設的兩臺機組使用20m直徑的轉子，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合而成。第一層板沿著復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，然后在基礎板上灌漿鎖定雙向曲面。再將這些曲面板粘結到一起，并對其邊緣進行硬化處理構成擴散體扇形段。完整的擴散體裝配好之前，在奧克蘭大學工程院對單塊板和裝配好的擴散體扇形段樣品進行了應力測試。

3設備平衡

除了擴散體增強技術和材料技術外，風力機全部是常規的。轉子配備有定節距的4個葉片，該葉片內為焊接鋼架構，表面材料為玻璃纖維。轉子通過一DavidBrown升速變速箱驅動一常規的1200min-1、400V的ABB公司生產的同步發電機，發電機變頻運行。轉子、變速箱和發電機（<圖02>）由美國的新世界電力公司(NewWorldPower)提供。

變頻交流電先整流成直流電，然后逆變為50Hz的交流電，經升壓變壓器送入當地電力公司的11kV電網。整流器/換流器設備由奧克蘭公司Santon技術有限公司設計和制造，該公司對電池充電器和變速驅動器的制造有多年經驗。

考慮到擴散體的尺寸，需要一大型穩定的地基防止在大風載荷下和地震時倒伏。設備被安裝到一大直徑環行軌道上，風力機可以沿它旋轉360度，軌道上的旋轉裝置裝有迎風控制系統的電動裝置（<圖03>）。這種布置提供了穩定的基礎。

由于該種風力機可以避開大風且擴散體罩具有保護轉子不受大風影響的能力，因而轉子設計簡單不需要控制葉片節距。這使得該種風力機非常適合在大風地區使用，且維修量很小。

4設計的優點

擴散體增強型風力機與常規風力機相比有許多優點，包括：

噪音低。常規風力機噪音來自速度最高的轉子頂部，并通過葉片傳向支柱。在Vortec機組中，轉子被一種高密度材料所覆蓋（擴散體），它防止了噪音從轉子末端向外輻射，因此沒有像用常規設備時大的支柱產生的噪音。

用地少。就同樣的能源輸出而言，Vortec機組與常規風力機相比需要較少的用地，減少了土地購置和租用費用。

不影響景觀。Vortec機組很容易地涂上各種顏色，當從遠距離觀看時能與各種背景相融合，設備蹲坐的外形與起伏的山村很協調。

可衰減陣風。擴散體在增加出力的同時，也作為阻風門，衰減陣風的峰值，因而減少了轉子所承受的轉距波動和驅動器上的應力。

鳥類撞擊少。盡管風力機能涂上不同的顏色降低了視覺影響，但對于飛到附近的鳥類卻很醒目，不會出現鳥類撞擊快速旋轉的風力機葉片的事故。

基建費用和發電成本低。風力機使用了非常簡單的定節距葉片，不需要節距控制制動器或控制系統。這將大幅度降低維修費用，特別是在新西蘭的大風地區，并將確保很高的設備可用率。

5發展前景

轉子直徑為7m的原型風力機將要進行6個月的試運行，對控制系統進行仔細調試并驗證設計參數。初步測量數據表明，風力機轉子風速增強了約1.72倍，這與Grumman空間公司研究小組的計算和它們在0.5m模型上進行的風洞試驗結果相吻合。

VortecEnergy公司已獲得新西蘭科學與技術研究基金業務發展部的資助約350000美元，用以支付6個月試驗期的費用。

監視和試驗方案的技術支持由工業研究有限公司(IndustrialResearchLtd.)和奧克蘭大學咨詢小組(AucklandUniservices)提供，另外還邀請了英國國際風能咨詢專家GarradHassan獨立檢驗和監督Vortec7機組的試運行計劃。

表1給出了Vortec機組未來的開發方案。

如果試驗方案產生的結果與預期的相吻合，將來擴散體增強型風力機將成為全球風電開發方案的一個主要部分，可廣泛用于其它待開發的地區。支持該技術的投資者雖承受高風險，但它可能獲得高的回報。