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創新技術 – 多轉子風力發電機介紹

105/05/31 瀏覽次數 5095
丹麥知名的大型風力機製造商維斯塔斯(Vestas)最近在該國的一個城市羅斯基勒(Roskilde)安裝了一組非常特殊、有著很不一樣結構的風力機。這組風力機,有四個旋轉的扇葉。是的,有四個。白話一點,在一根柱子上一次裝了四個電風扇來發電。這跟平常看到單一個轉子的架構實在有著很大的差異。就讓我們來了解一下這個機組究竟有甚麼特別的地方。

規格

首先我們從它的基本規格來看。這組風力機,總發電容量為900千瓦(kW) (滿載發電時,每小時可發900度電),每一組轉子分別提供225千瓦的發電量,轉子直徑29公尺,因此型號定為V29。這也是過去該公司一貫的命名方式。轉子直徑多大,就怎麼稱呼,非常容易理解。在臺灣的彰濱工業區風場裡為數眾多的風力機組,裡面就設置有該公司超過40架的V80機組。也就是,轉子直徑達80公尺,滿載發電時,每小時可產生2000度電。
 
塔高呢?精準的來說是輪轂(HUB)高度,大概是扇葉轉子中心點的高度所在。不過這個特殊的設計,會有兩個高度,分為下層跟上層。下層位於高度29公尺處,上層位於59.5公尺處。每一層都附有可以隨風轉向的偏航軸承系統。整體來看,包含葉片尖端最高的高度為74公尺。(註:台中港的風力機組最高點為100公尺左右)
 
新設計?

其實這樣的設計並非創新,過去其實也出現了好多這類的設計。但很多想法僅止於概念、評估或是初步設計階段,很少有實際架設起來進行測試的。從下面的幾張圖可清楚看到,這真的不是新的設計,只是由於技術不成熟,無法達到經濟效益,最後總是沒有成功的受市場所青睞。

技術特點

風力發電機不管怎麼設計,成本還是最重要的考量。Vestas這個設計當然也無法避開這個議題,不然就真的是噱頭了。國外的報導中有提到這個設計的出發點是:當風力機的轉子直徑增加一倍時,發電量會是"平方"倍的增加。但是,整體的重量卻是更高的"立方"倍的增加。這就是所謂的有一好沒兩好。
 
也就是說,如果今天機組轉子直徑從29公尺增加到58公尺,變成2倍。發電量可增加為4倍(以此例而言,可從225千瓦變為900千瓦)。但是重量卻必須增加為2的三次方,也就是8倍之多。如果我們再把長度增加到87公尺,3倍的直徑。發電量可以變成9倍(接近彰濱風場V80機組的2000千瓦),但重量卻會急速增加到27倍之多!這可是非常驚人的數據。因為重量的增加,代表的不僅僅是製造材料成本的增加,包含運輸吊掛組裝的成本,以及未來的維修成本都會增加,影響其實非常的大。
 
但如果今天直徑不增加,利用4組29公尺的轉子,來達到一樣4倍的發電量225Í4=900千瓦)。這樣的話,重量就只有增加不到4倍,可以減輕一半的重量。而若是採用9組(這就真的開枝散葉變成風力發電樹了),達到2000千瓦的發電量,重量變成9倍,與27倍的差距更是大,節省的成本更多。這個新設計顯然希望來驗證一下這的重量-成本的效益。
 
面臨挑戰

主要是因為這種複雜的結構如果沒有處理好,可能會衍生出其他問題。第一個就是四個轉子之間的氣流可能會互相干擾。對於整體的發電效能會帶來影響,四個轉子同時轉動發電是否能與等效的一個大轉子的發電效能一樣或是更好更壞,這是有待驗證的。第二個問題,除了效能以外,也可能導致葉片承受更多更大的紊流變化。風速不斷的變來變去,會怎麼樣?表示葉片會承受更多的疲勞負載,就像一根棒子來回折來折去,折的越快越多次,很快可以把它弄斷掉一樣,這個效應同樣可能縮短葉片的使用壽命。第三個衍生出來的一樣是結構負載問題,正由於四組轉子的轉動不可能完全同步,勢必產生負荷的不平衡,導致塔架會承受過多的疲勞負載。
 
結語

當然,以上只是筆者初步想到與推測的可能缺點,過去設計或多或少可能有類似或其他更多問題。也就是說,如果這些問題沒有更聰明的方法解決。可能就是需要更強的結構,更多的成本,就失去原本希望減少的成本效益。甚至這種設計是否會引來更多環境上的反對,那又是另外的議題了。

但回過頭來,這件事情還是值得期待的。畢竟,維斯塔斯這家公司是全球數一數二的風力機製造商。現在全世界的風力發電能夠這麼的蓬勃發展,就屬這家公司的功勞最大。現代風力機的變速控制也是從他開始,整體提升了風力發電的效率。也就是說,這家公司是這個產業的老大哥。他們會做這樣的嘗試,肯定有他們的依據或是已經經過許多可行性的評估與模擬測試,絕對不可能隨便亂來的。否則,一旦失敗或是效果差距太遠,可是會打壞自己名聲的。

就在不久前,這部機組已經在今(105)年四月底完成架設了。就讓我們拭目以待,看看這個新設計是否能夠通過測試,為這個產業帶來更多的新鮮事。(本文由科技部補助「工程技術與社會風險之新媒體溝通」執行團隊撰稿)


責任編輯:許藝菊 教授|南臺科技大學 機械工程系

 

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