智能涡轮叶片可以改善风力发电

“最终目标是将信息从传感器输入到一个主动控制系统，精确调整组件以优化效率，”普渡大学博士生JonathanWhite说道，他正在与机械工程教授兼普渡大学中心主任DouglasAdams一起领导这项研究。对于系统完整性。

该系统还可以通过向控制系统提供关键的实时信息来帮助提高风力涡轮机的可靠性，以防止大风对灾难性风力涡轮机造成损害。

“风能在提供电力方面发挥着越来越大的作用，”亚当斯说。“美国现在是世界上最大的风能收割机。问题是，如何使风力涡轮机更高效，更具成本效益和更可靠?”

当刀片正在建造时，工程师在风力涡轮机叶片内嵌入称为单轴和三轴加速度计的传感器。目前，该刀片正在德克萨斯州布什兰的美国农业部农业研究服务实验室的风力涡轮机上进行测试。桑迪亚和美国农业部的人员在德克萨斯州运营研究风力涡轮机。

这种传感器可能有助于未来的涡轮叶片具有“控制表面”和简单的襟翼，如飞机机翼上的那些，以改变叶片的空气动力学特性，从而更好地控制。由于这些襟翼会实时更改以响应不断变化的风，因此恒定的传感器数据至关重要。

桑迪亚风能技术部经理JoseR.Zayas说：“这是国家实验室和学术机构之间通过利用两者的专业知识开发创新的完美结合。”

研究结果表明，使用三个传感器和White开发的“估算模型”软件可以准确地显示出对刀片施加了多大的力。Purdue和Sandia已申请该技术的临时专利。

5月4日在芝加哥Windpower2009会议和展览期间发表的一篇论文中详细介绍了调查结果。该论文由White，Adams和Sandia工程师MarkA.Rumsey和Zayas撰写。由美国风能协会组织的为期四天的会议吸引了数千名与会者，面向工业界。

“工业界最感兴趣的是确定施加在涡轮叶片上的载荷或力，并预测疲劳，这项工作是实现这一目标的一步，”怀特说。

风力涡轮机的主要部件包括转子叶片，齿轮箱和发电机。风力涡轮机叶片主要由玻璃纤维和轻木制成，偶尔也用碳纤维加强。

“目的是以最有效的方式操作发电机和涡轮机，但由于风速波动，这很难，”亚当斯说。“你希望能够控制发电机或叶片的桨距，通过在风力过大时减少风力涡轮机组件的力量来优化能量捕获，并在低风期间增加负载。除了提高效率外，还应该有助于提高可靠性。风力发电机塔架高度可达200​​英尺或更高，因此维修和修理损坏的部件非常昂贵。“

智能系统中的传感器数据可用于通过自动调整叶片间距来更好地控制涡轮机速度，同时还命令发电机采取校正步骤。

桑迪亚的Rumsey说：“我们认为智能系统是涡轮机的潜在巨大进步。”“还有很多工作要做，但我们相信收益会很大。我们的目标是为电力行业提供可靠，高效的产品。我们正在为未来的风力发电机奠定基础。“

传感器数据也将用于设计更具弹性的刀片。

传感器能够测量在各个方向上发生的加速度，这对于精确表征叶片的弯曲和扭曲以及尖端附近的小振动(最终导致疲劳和可能的故障)是必要的。

传感器还可以测量两种类型的加速度。一种类型，即动态加速，由阵风引起，而另一种称为静态加速，由重力和稳定的背景风产生。必须准确地测量两种形式的加速度以估计施加在叶片上的力。传感器数据精确地显示了叶片弯曲和扭曲的风量。

这项研究正在进行中，工程师现在正致力于将他们的系统应用于比传统叶片更弯曲的先进下一代涡轮叶片。这种更复杂的形状使得应用该技术更具挑战性。

2008年，美国增加了8,358兆瓦的新风力发电容量，相当于数千台新风力发电机，因为平均风力发电机组发电量为1.5兆瓦。新增产能使美国的风电总装机容量增加到25,170兆瓦，超过了德国作为世界上最大的风力发电装置的能力。

“我们的目标是做两件事-提高可靠性和防止失败-而实现这两项能力的最直接方式是监测风力对叶片施加的力。

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