风能研究人员对顺风涡轮机进行全面验证研究
大多数风力涡轮机都是面向风的，这是有原因的。自 20 世纪 80 年代以来，风力涡轮机开发商一直在设计中使用所谓的“丹麦概念”——三个叶片，位于上风处（即面向风），并设计为始终面向风，以最大限度地提高发电量。今年春天，一组国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员与丹麦技术大学 (DTU) 合作，试图通过回答这个问题来挑战丹麦的概念：当我们转动风力涡轮机叶片时会发生什么？
NREL 风能研究员（兼项目负责人） Pietro Bortolotti 表示：“几十年来，研究界一直在讨论风力涡轮机是否应该全部安装在上风处。我们在 20 世纪 80 年代开始使用的风力涡轮机与今天部署的风力涡轮机有很大不同，当时制定了这一标准。当时的风力涡轮机体积更小，叶片和塔架也更粗壮。”
最近的一项实验的目标是提供关于迎风范式是否仍然有效的硬数据。
另一方面
为了完成这项实验，NREL 和 DTU 的研究人员彻底翻转了位于科罗拉多州 NREL Flatirons 园区的一台 1.5 兆瓦研究风力涡轮机的转子，以及塔顶的风向标和机舱（装有变速箱）。然后，他们重新接线发电机，使其反向旋转。“此外，我们还必须做上百万件事，以确保我们不会损坏任何东西，”Bortolotti 说。
技术人员在高空平台上连续工作数日，完成过渡、连接压力带并在距离风力涡轮机不同距离的地方安装麦克风后，团队才得以开始捕获数据。
“我们进行这个实验有两个原因：研究顺风向涡轮机的技术经济可行性，并利用 DTU 的这种可以测量涡轮叶片压力分布性能的全新仪器，”Bortolotti 说。
Bortolotti 得到了众多其他风能研究人员和技术人员的支持，其中包括 Jason Roadman、Mark Iverson、Chris Ivanov、Jon Keller 和 Derek Slaughter，他们共同合作进行物理转变并监测结果。
通过技术经济分析来解答数十年的老问题
该实验是美国能源部风能技术办公室资助的大型自适应转子 (BAR) 项目正在进行的最终项目之一。BAR 的目标是支持陆基风力涡轮机技术的开发，并寻找降低成本的方法，具体涉及制造重量更轻、灵活性更高的叶片。
“我们考察了一系列可能的候选人，”Bortolotti 说道。“我们想调查顺风航行是否是一个进一步提高灵活性和降低成本的机会。”
乍一看，顺风方案的几个方面似乎很有希望。首先，顺风涡轮机的叶片自然会被风推离塔架，因此有机会设计出更轻、更灵活的叶片，这些叶片不需要足够坚硬就能避开塔架。而且叶片越轻，制造成本就越低。
其次，风力涡轮机转子的倾斜会将涡轮机的尾流转向地面，因此不太可能干扰风力发电场中的其他涡轮机。一些研究表明，顺风转子可以提高大型风力发电场的发电性能。
但顺风场景有一个主要问题。事实上，当叶片经过塔后时，它会在一瞬间避开风。这会改变叶片上的压力，产生振动或波动，导致叶片本身疲劳并产生可听见的“砰砰”声。而且每次叶片经过塔后，都会发出这种砰砰声——换句话说，经常发生。
在长达 11 个小时的数据收集过程中，研究团队确实捕捉到了那声巨响，其声音大小足以影响听力范围内的社区。
叶片承受压力
振动不仅会产生明显的声音，还会对风力涡轮机产生压力——在实验过程中，丹麦技术大学的研究人员通过固定在其中一个叶片和涡轮机塔架上的三条特殊皮带测量压力。
“皮带是丹麦技术大学一直在研究的非常新的仪器，”博托洛蒂说，他补充说皮带装置可以帮助研究人员确定风轮的性能，无论是顺风还是逆风。“我们利用这次实验帮助丹麦技术大学推进这项技术，因为它是一种非常有价值和独特的设备，我们希望将来能再次用于逆风风轮。”
在实验过程中，皮带测量了转子旋转过程中的压力分布，使团队能够精确观察塔后振动对叶片的影响。这些测量将有助于提供关键见解，了解顺风转子所经受的疲劳负荷增加。
在研究中使用安全带的另一个主要好处是它们产生的数据。这些数据可以为团队使用 NREL 的 OpenFAST 工具开发的气动弹性数值模型提供真实世界的验证。
“在 NREL，我们开发了很多工具用于对负载、风力涡轮机和风电场的性能等进行数值预测，”Bortolotti 说，他补充说，压力带之类的设备对于验证这些数值工具至关重要。
该团队计划在未来对更传统的转子进行实验时使用压力带。“多亏了 BAR 项目，我们现在确信压力带是一种可行的方法，可以生成有价值的实验数据集，这将有助于我们提高对风力涡轮机的了解，”Bortolotti 说。
得出结论
虽然该研究的正式结果要到 2024 年晚些时候才会公布，但初步结果足以得出结论：顺风作业的潜在好处并不能抵消其弊端。
博托洛蒂指出，研究小组知道，虽然顺风向陆基涡轮机存在噪音和叶片疲劳问题，但其影响尚不清楚。
“研究界不得不依赖 20 世纪 80 年代的数据集和传闻证据，但这些在科学上是不够的，”Bortolotti 说道。“我们现在可以自信地说，下一代陆基风力涡轮机将更大、更灵活，但丹麦的概念仍将是主导技术。”
最终，这项实验取得了重大成就——不仅仅是因为它在验证建模和模拟工具的同时收集了有关公用事业规模顺风涡轮机性能的重要数据。
“我们做了一件没人能想到的事情，那就是旋转一个相当大的风力涡轮机，该涡轮机配备了一套大型仪器，可以记录广泛的气动声学、负载和压力数据，”Bortolotti 说。“这个 1.5 兆瓦的涡轮机与现代设备相比很小，但它仍然是一个巨大的怪物，而且安全地顺风旋转而不折断一个螺栓是一项巨大的成就。”
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