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2016-03-12
借鉴棕榈树抗风特性 美国设计超大超轻分段式风电叶片
据美国CW杂志报道，受美国能源部先进研究项目办公室资助，由美国桑迪亚国家实验室参与的“超大超轻分段式风电叶片（SUMR）”研究项目正在进行中。该项目旨在研发长度超过2个橄榄球场（约220米）的50MW风电叶片，其长度越是现有最长叶片的2.5倍有余。
该项目团队由弗吉尼亚大学主导，还包括了伊利诺伊大学、科罗拉多大学（含缅因分校）等，顾问单位包括西门子、维斯塔斯等。
此前，桑迪亚国家实验室曾成功研发出100米长13MW风电叶片，并成为此次SUMR项目开展的基石。尽管50MW水平轴风力发电机的尺寸前所未有，但研究显示通过有效的载荷调控可以最大程度减少叶片承受的峰值压力和疲劳程度，成本由此降低，为配套生产50MW的叶片提供了可行性。
美国目前的风力发电机大都是1MW-2MW型的，叶片长度不超过50米。最大的一台也仅有8MW的功率，叶片长度80米。
“美国海上风电发展潜力巨大，但是海上风机安装成本昂贵，是重要的掣肘。”项目首席技术负责人Todd Griffith表示。另外，生产出功率50MW的风力发电机对设计人员也是不小的挑战，这个功率是现有最大功率的六倍。
“就传统的迎风叶片来说，一旦功率超过10-15MW，其生产、运输，安装和维护费用就变得非常昂贵。它必须保持足够高的刚度，避免产生疲劳，消除强风条件下塔筒破裂的风险。但因为刚度高意味着体积沉重、巨大，直接影响成本，对于超大尺寸的风机来说比重力载荷带来的影响更为巨大。”Griffith表示说。
他表示根据的新的设计，叶片是分段生产和运输的，极大降低了运输安装的难度和成本。并且，与传统风机不同的是，超大尺寸的风机还可以适应并于逆风叶片匹配使用。
SUMR项目下，风机的载荷调控方式模仿了棕榈树的经验。分段式叶片可以顺风势发生弯折，卸去部分应力，减小了叶片承受的压力。这使得在保持同样刚度的前提下，叶片的质量得以减轻。另外，分段式叶片的设计优势在面临极端暴风天气时表现出明显的优势，甚至可以根据不同风速做出相应的调整。
“在极高的风速下，分段式叶片会根据风向调控载荷，降低了损毁的风险；而在的风速下，叶片得以充分伸展，实现能量的最大输出。”Griffith表示说。