更好的风力涡轮机

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  一种更有效的发电机能把更多的风能转化为电能。
  位于不列颠哥伦比亚省温哥华的初创企业ExRo Technologies公司已经研发出一种新型发电机,它能很好地从风中获取能量。它可以降低风力涡轮机的成本,同时又能增加50%的功率输出。
  新的发动机可以比传统发动机在更广泛条件下的有效运行。当贯穿普通发动机的轴以最佳速度转动,有超过90%的风能被转换成电能。但是,假如其速度飘忽不定,发动机的效率就骤降。在传统发电厂,这不是问题,因为,通过来自煤或其他燃料的不间断的能源供应,涡轮机会以恒定速度转动。但是风速变化迥异,涡轮机叶片改变倾斜度来捕捉忽多忽少的风,这有助于变速器调节转动叶片和发电机轴之间的转速。但传动装置增加了制造和维护的成本,而且叶片能改变的角度——用来弥补风速的改变——存在一个限度。
  ExRo公司的新设计用电子装置替代了机械传动装置。这增加了风速在改变时其能有效运作的范围,并且能更好地适应突如其来的强风和减弱的风。当风速最高时,叶片将仍需倾斜使风通过,发电机将使涡轮机获取高速风和强风中更多的能量。因此,ExRo公司的首席技术官乔纳森·里奇(Jonathan Ritchey)说,一年中,涡轮机平均可以多生产50%的电量。为ExRo公司提供咨询的卡尔加里大学(University of Calgary)电气工程学教授埃德·诺维奇(Ed Nowicki)说,事实上,在有些地方,输出功率能翻倍。
  该发电机与许多普通发电机一样有相同的工作原理:与旋转轴相连的磁铁在通过盘绕在固定轴上的铜线圈时产生电流。在普通发电机中,所有的线圈都是连接在一起的。而相比之下,在ExRo公司的发电机中,每个单独的线圈都可以用电子开关控制其打开或关闭。在风速较低时,只有少数的线圈将接通——只要足以有效地获取低速风下的少量能量即可(假如有更多的线圈接通,它们将对旋转的磁铁产生更多的阻力)。当风速较高时,更多的线圈将接通以把更多的能量转换为电能。开关能迅速变化,以适应快速变化的风速。
  该设计的另一部分是发电机能更好地适应不断变化的风速。获取大量能量需要许多线圈。这些可以被安排在一个直径非常大的发电机中,这也就使安装在转子上的磁铁更大了。这样就很难使转子转动或改变其旋转速度(发电机中心和线圈之间较大的距离增加了所谓的转动惯量)。ExRo公司的发电机把线圈沿着轴的长度分配给几个直径较小的发电机(研究人员称之为栈)中。较小的直径方便其更容易地改变旋转速度。多栈设计也使得制造适用于特定风电站的定制发电机更容易。风速较低的地区,只需少量的栈。而对于风速较高的地区,需要更多的栈,可以使发电机把更多的能量转换为电能。
  其他公司已经研发出包含多发电机的设计,这些发电机可以被分开使用,这都取决于风速。但这些都必须机械地装上和卸载,增加了发电机的重量和复杂性,也增加了成本。通过取消机械齿轮和离合器以减小发电机的质量和维修费,这使ExRo公司降低了成本。麻省理工学院机械工程学教授保罗·斯科拉夫奥诺斯(Paul Sdavounos)说,这在决定是否尝试获取更多的风能时是关键考虑的因素。他说,ExRo公司可能有优势,因为其技术的关键是电子控制,并不昂贵。事实上,该公司声称,使用这种新型发电机,一台风力涡轮机的经营者每年可以多创收57%。
  ExRo公司已经研发和测试了实验室规模的样机。其对增加的电量的估计来自于利用现有风力涡轮机站点数据的模型。随后,该公司将开始实地测试一台小型的、5千瓦的风力发电机。里奇说,直到这些测试完成,公司才会拥有电力产量的准确数据。下一步是将在现有的风力涡轮机中安装更大的兆瓦级的发电机。
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