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能源收集技术能够使风力发电更加可靠吗？ |
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作者：Markys Cain |
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欧洲的一个新的项目有望将能源收集装置标准化。这不仅能够为传感器提供电力，还能够帮助解决叶片破裂的问题，并延长组件的使用寿命......
能源收集技术正在进行推广，风力发电公司应该开始了解相关的信息。在欧洲各地，制造商们都在开发微型设备，将其能够安装在大型机械的内部，用于收集散发到周围环境中的热量和振动能源。
虽然这些设备并不能解决即将到来的能源危机，但是它们确实体现了自动无线机械监测技术的潜力。并且这也能够提高组件的可靠性，以及减小产生故障的风险。但是涡轮风力发电机也能进行此类的改进吗？
实际操作的挑战
虽然这些潜在的优势都很具有吸引力，但也有一些重要的因素需要考虑。可再生能源制造商和工程师们都希望能够将能源收集技术纳入到他们的业务范围之内。但是却面临着一个主要的挑战—目前能源收集技术还没有设置具体的衡量潜在能源节省量的测量标准。
缺乏此类内部认可的标准，使得买家很难准确地预测在不同的操作环境中所浪费的能源总量，以及他们需要为能源收集装置和传感器网络所提供的电力。没有这一关键的信息，开发人员无法为能源收集装置设计有意义的商业化规格产品。这意味着潜在的重要市场，如可再生能源市场就有可能被迫先购买产品，并自行进行试验—需要花费大量的时间和金钱。
在这种情况下，由欧洲七个国家的计量检定机构（NMIS）包括英国的国家物理实验室（National Physical Laboratory）共同建立了一个能源收集计量项目。该项目旨在发展可以溯源（追溯国家标准）的测量方法，减少重复并加速能源收集技术的创新和竞争力发展。
它能够为风力发电部门提供很大的优势，但同时也需要制造商和开发商们的大量投入，将这个可能变成成果。
前面的设备是超高真空原子力显微镜，可以用来在纳米级以下分析电子和热传输。
回到基础—为什么要在风力发电行业中使用能源收集技术？
风力发电机组最经济有效的设计—以及对其进行监测的能力—在风力发电作为一种可靠的能源，并在与其他发电形式技术进行的竞争中越来越关键。
涡轮风力发电机叶片上很难被察觉到的微小破损，可能会导致突然的灾难性故障。近年来，戏剧性的结构倒塌事件已经导致了很多风力发电场被迫关闭，并为那些质疑风力发电能够在一个长期的能源供应中发挥重要作用的人提供了说辞。
例如，去年苏格兰的Whitelee风力发电场，欧洲最大的风力发电场，在一台巨型涡轮风力发电机的叶片—长达46米、重达14吨—倒塌后被迫关闭。这一事件导致了这个风力发电场所有的140台涡轮风力发电机正常的电力生产中断。
在Crystal Rig（也在苏格兰）也发生了类似的事件，涡轮的叶片在遭遇强风时折断并落到了地上。这一事故花费了125万英镑的费用进行维修，并使为33000户家庭提供电力的风力发电场关闭了很长时间。
并且这些操作问题会不断地加强。风力发电场输出更多电能的压力导致转子的直径越来越大，叶片也将面临更复杂的负载条件。这样的结构性负载是叶片设计师们始料未及的。
尽管如此，制造商们还在计划将叶片的尺寸扩大到超过50米，以捕获更多的风能，从而增加单个涡轮风力发电机的电能生产量。随着这种叶片尺寸的增加，确保整体结构的牢固性就变得更加重要。平均而言，叶片损坏需要一年维修（或更换）五次—事实上，这会影响到涡轮风力发电机长期利润的获取。
由于叶片是由各种非金属材料制成的，使用常规的非破坏性方法如超声波和X光扫描等进行检查是很具有挑战性的。因此，动态输出数据的采集可以说是一个耗时且昂贵的过程。
风力发电中的无线传感
为了解决这个问题，传感器可以被应用到叶片中，以监测结构在不同的关键位置下的稳固情况。但现有的基于线缆的监测系统却存在一定的缺陷，它们的安装非常具有挑战性，成本也非常昂贵，且涡轮风力发电机也容易受到闪电的威胁。
安装这些传感器的最实用的方法是使用一个无线传感器节点的网络。使用节点来检测叶片破损的位置，并传送数据到涡轮风力发电机机舱中的中央接收器。然后通过数据分析和计算，得出系统的整体健康情况。
热电发电机可用于收集热能生产电能
因此，无线传感器网络引起了开发商和制造商们越来越大的兴趣，同时他们希望系统能够自动检测，并找到叶片的裂缝。由于该网络是无线的，它们不需要硬接线，并且不会影响发电（或干扰叶片的空气动力学特性）。这些微小的、自动的监测系统能够延长机器和结构的使用寿命，显著降低运营成本，并提高安全性。
无论是暂时性或永久性的，传感器可以提供有用的涡轮风力发电机响应数据。数据可以显示发电机在风中的工作效率和波浪载荷（如在海上的涡轮风力发电机），可以收集并更好地用来理解在复杂的载荷情况下，涡轮风力发电机的性能。
而这同时能够改进分析模型，以及更具有成本效率地设计程序。永久安装的传感器也可以作为结构健康监测的基础。
传感器网络曾经被看作是一种昂贵且麻烦的解决方案，随着能源收集装置可靠性的提高（15到20年），它成为了预算持有人的一个有力优势。在地方当局要求海上风力发电离岸更远的压力下，使用无线系统监测涡轮风力发电机成为了更有效率的一个解决方案。
有了这样一个明确的需要，行业现在正在对这一方面进行加强，并填补空缺。法国电气工程集团CEDRAT已经为陆上及海上涡轮风力发电机叶片开发出了一种结构健康监测(SHEM)系统。与此同时，Etesian Technologies公司也制造出了世界上第一个自供电无线风速仪系统，该系统是特别为涡轮风力发电机所设计的。
在风力发电中使用能源收集技术的优势不仅仅体现在无线传感器上。德国的研究人员已经开发出了一种噪音减震系统，能够减少涡轮风力发电机所发出的嗡嗡声。陆上的涡轮风力发电机往往受到相关规定的限制要求在一定的负荷下运行，以减少由于转子转动叶片或变速箱中的齿轮所产生的噪音。
使用被动阻尼系统的效果有限，因为它们不能随着由于涡轮旋转速度发生变化而不断变化的嗡嗡声频率而调节自转的速度。然而，新的德国系统能够根据任何频率发生的变化而自动反应抑制噪音，无论风力发电机的转速有多快。变速箱上安装的驱动器能够将电流转换为机械运动，产生“负振动”或“反噪声”，恰恰抵消了风力发电机所产生的振动。
分析家们预测能源收集技术在未来十年内将产生数十亿英镑的经济价值，而风力发电场只是其新应用中的一个潜在部分。这一切听起来非常令人振奋，但没有一个国际公认（可溯源）的标准，提高能源效率和可靠的自动传感器等优势仍然很难实现。
能源收集的计量
有了建立这个可追溯标准的设想，能源收集计量项目的目的在于建立一个标准，使重工业特别是风力发电行业从无线传感器中得到真正的好处。
自从成立以来，他们已经开发出了受到风力发电制造商广泛关注的能源收集装置所能收集的电能的测量系统。这些设备能够将机械力转换成电能。该项目还在开发能够预测这些设备输出功率的组件。
来自欧洲各地的超过25家公司参与了该项目的建设，包括汽车行业、交通运输、移动通信、传感器和仪器仪表都是该项目的一部分。这些公司共同参与项目的重点方向发展，并了解新标准的发展动态。
从商业的角度来看，可以归结为只有客户才知道他们到底需要什么。因此，能源收集技术在可再生能源行业中发挥的作用是至关重要的，因为这为像涡轮风力发电机这样的重工业部门的制造商和经理们提供了一个可靠的方法，让他们能够在各自的范围内对不同装置的产出差异进行比较，并且能够在现实生活中预测实际的输出功率。
实现这一目标需要专业的知识，以及科技与行业各个方面的投入，包括在能源收集和储存方面领先的研究机构、材料科学、系统工程和计量学。
然而商业化也是非常重要的一点。该技术通过能源收集计量项目表现出了行业需要这一技术，并且需要从公司的层面进行投入来找到他们目前已有的问题，以及项目可以为他们解决的问题。
关于作者：Markys Cain教授是NPL的专家，NPL是七个参与能源收集项目的欧洲计量检定机构之一。(end)
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(12/6/2012) |
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