棕櫚樹隨風(fēng)彎，超大型離岸風(fēng)機(jī)的抗臺狂想設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電機(jī)越高越大，越能有效率汲取高空穩(wěn)定風(fēng)能，往離岸發(fā)展后，風(fēng)機(jī)規(guī)模更是快速膨脹，不過，當(dāng)風(fēng)機(jī)扇葉長度隨著風(fēng)機(jī)規(guī)模增大而拉得越來越長，在臺風(fēng)吹襲時，能否承受得住強(qiáng)風(fēng)的考驗，成為產(chǎn)業(yè)界與大眾都關(guān)切的問題，許多抗強(qiáng)風(fēng)的設(shè)計也一一出爐。美國維吉尼亞大學(xué)為首的研究團(tuán)隊決定向大自然學(xué)習(xí)，以棕櫚樹隨風(fēng)彎曲的概念，打造新一世代的超巨大風(fēng)機(jī)。

這項研究計劃始于 2015 年 11 月，研究團(tuán)隊取得美國國防部先進(jìn)能源計劃署(Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E)3 年計劃經(jīng)費，研發(fā)單架風(fēng)力發(fā)電機(jī)名目發(fā)電容量高達(dá) 50 百萬瓦(megawatt)的「分節(jié)式超輕可變形風(fēng)機(jī)」(Segmented Ultralight Morphing Rotor，SUMR)，除了維吉尼亞大學(xué)以外，還有伊利諾斯大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、科羅拉多礦業(yè)學(xué)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(tuán)隊也與風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)界巨頭如奇異(GE)、西門子(Siemens)、維斯塔斯(Vestas)密切交流。

研究團(tuán)隊的目標(biāo)是設(shè)計一款 50 百萬瓦規(guī)模風(fēng)機(jī)，在 2025 年時，將離岸風(fēng)能的均化成本(levelized cost of energy，LCOE)降低 50%，這款風(fēng)機(jī)不一定效率更高，但是建造與維護(hù)成本更低，而為了建造越來越巨大的風(fēng)機(jī)，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計科技的想法都要與眾不同。

當(dāng)前風(fēng)機(jī)設(shè)計上最主要的限制在于葉片重量傳遞到風(fēng)機(jī)機(jī)艙所造成的「全局負(fù)載」(global load)，盡可能減低扇葉的重量，就能進(jìn)一步增加風(fēng)機(jī)的大小規(guī)模。當(dāng)前風(fēng)機(jī)扇葉主要材質(zhì)已經(jīng)大多為玻璃纖維搭配少量碳纖維，以在質(zhì)輕強(qiáng)韌與成本間求取平衡，若要進(jìn)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(tuán)隊希望能借助美國能源部資助的另一項降低碳纖維制造成本的研究。

今夏開始測試

50 百萬瓦規(guī)模風(fēng)機(jī)的扇葉大小將相當(dāng)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(fēng)機(jī)，塔身高 191 米，扇葉長達(dá) 80 米，是當(dāng)前全球已安裝最大規(guī)模風(fēng)機(jī)，而奇異于 4 月底發(fā)布計劃，將投資 4 億美元研發(fā)，于 2021 年推出目前全球規(guī)劃中最大規(guī)模的商用風(fēng)機(jī) Haliade-X，發(fā)電容量 12 百萬瓦，塔身最高可達(dá)海平面上 260 米，扇葉超過百米達(dá) 107 米。研究團(tuán)隊要規(guī)劃 50 百萬瓦規(guī)模，扇葉預(yù)計將會超過 200 米長。

風(fēng)機(jī)扇葉越長，面對強(qiáng)風(fēng)時，所受的應(yīng)力也越大，必須更加強(qiáng)韌才能抵擋風(fēng)力，但增加強(qiáng)度也將增加重量或成本，若以現(xiàn)有風(fēng)機(jī)設(shè)計，10~15 百萬瓦的風(fēng)機(jī)，其扇葉就要打造得相當(dāng)堅韌才能抵擋強(qiáng)風(fēng)，并延后材料在長年累月的強(qiáng)風(fēng)吹襲下發(fā)生疲勞而損壞的時間點，要打造如此強(qiáng)韌的扇葉，增加相當(dāng)可觀的制造與維護(hù)成本。

研究團(tuán)隊對此有另外的想法，現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)多半采取迎風(fēng)的態(tài)勢，但如果不要對抗強(qiáng)風(fēng)，而是能有如熱帶常受到臺風(fēng)吹襲的棕櫚樹一般，受強(qiáng)風(fēng)吹襲時會順著風(fēng)彎曲，減少受風(fēng)面，如此一來，就不需額外強(qiáng)度，因此能打造超輕的扇葉，而能達(dá)成打造超大風(fēng)機(jī)的目標(biāo)。

研究團(tuán)隊從大自然取經(jīng)，其風(fēng)機(jī)與一般迎著風(fēng)不同，而是背著風(fēng)，且葉片有單關(guān)節(jié)可摺彎變形，受到強(qiáng)風(fēng)吹襲時能順著風(fēng)收攏起來，如此一來就能大幅減少受風(fēng)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(dá) 200 米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(tuán)隊計劃在 2018 年夏季開始于科羅拉多州，隸屬于美國國家可再生能源實驗室的國家風(fēng)能技術(shù)中心(National Wind Technology Center)測試，先從五分之一大小的原型機(jī)開始，之后放大規(guī)模到 13.2 百萬瓦、105 米長扇葉的原型機(jī)，測試結(jié)果出爐后，研究團(tuán)隊將據(jù)此修正設(shè)計，預(yù)定將于 2019 年春正式推出全尺寸大小的原型機(jī)。

Design for 50MW Offshore Wind Turbine Inspired by Hurricane-Resilient Palm Trees