风力涡轮机是如何制造的?

2022年12月12日下午12:01
工人们在观看风力涡轮机叶片的安装。丹尼斯·施罗德/ NREL
查理·霍夫
前施耐德可持续能源研究员

许多人至少有一点“超大癖”——喜欢非常非常大的东西。这可能是风力涡轮机吸引我们的众多原因之一。想象一下,抬头仰望世界上最高的风力涡轮机是多么令人眼花缭乱最大Bögl风力发电机组在德国有一座808英尺高的雕像,相当于两个半自由女神像的高度。

风力涡轮机不只是大塔。它们是实现100%清洁能源未来的巨大机遇。2021年,美国风力发电能力达到136吉瓦(GW)并供应9%占美国总发电量的一半这就足够了3900万年的家园。

根据美国能源部(DOE)的数据,风能在16个州提供了超过10%的发电量,在5个州(爱荷华州、堪萨斯州、俄克拉荷马州、南达科他州和北达科他州)提供了超过30%的发电量。虽然目前美国几乎所有的风力发电都来自陆上(“陆上”)风力涡轮机,但拜登政府的目标是达到这一目标30千瓦到2030年,海上风力发电能力的15千瓦从2035年的海上浮动风能技术。海上风力涡轮机风力越大,风力就越大,海上的风速往往更稳定,也更快。

那么,这些霸王龙涡轮,这些巨大的机器,究竟是如何制造出来的呢?

从地面或海底往上建造

根据能源部的风能技术办公室在美国,一个典型的大型风力涡轮机包含大约8000个部件,包括基础、塔、机舱和叶片。在美国,有超过500家制造风力涡轮机部件的工厂。

基础:一旦开发人员选择了一个站点陆基涡轮塔,他们平整地面,打下混凝土基础,这可以使用多达600-1000吨混凝土而且165吨钢铁。

安装一个海上风力机基础,另一方面,又是另一回事。老实说,这简直就是史诗.巨轮驶离港口,抵达深达200英尺的地方。然后,船只将腿伸入海底,将船抬出水面。接下来,船上的起重机将一个铁塔“单桩”(或者,根据地点的不同,不同的锚定结构,如夹套、三脚架或重力底座)下放到水中,并将其钻到海底。起重机在单桩或锚定基础上放置一个过渡件,塔将在其上用电缆固定。用于更深的漂浮海上风力涡轮机风力涡轮机被放置在港口设施的浮力子结构上,然后被拖到它们的位置,在那里,系泊线将结构与根植于海底的锚连接起来。

塔:对于陆上风力,卡车将塔的钢部件运来,并在现场组装,塔水平放置在地面上。2021年,美国塔的平均高度(或“枢纽”高度,从底部到叶片中心测量)为300英尺,高66%比1999年还要高。到2035年,美国陆上风力涡轮机塔预计平均达到约500英尺.当准备架设时,起重机将塔拉直。

对于海上风能,大型船只将预先组装好的铁塔运送到地基。甲板上的起重机操作员远程引导塔进入过渡件顶部的位置。

英国风电场的海上塔组装。资料来源:Derrick Jackson/UCS

发动机舱:位于叶片中心的电气箱被称为机舱。机舱由玻璃纤维制成,容纳变速箱、发电机和每个风力涡轮机的电子系统。在陆上和海上风力涡轮机中,起重机将机舱吊到塔顶。机舱内装有感应发电机或永磁发电机(PMG)。尽管前期成本较高,但36%的陆上风力涡轮机和76%的海上风力涡轮机使用pmg,因为它们是更高效的对于较大的涡轮机。此外,由于它们不需要变速箱,pmg更安静,需要更少的维护。pmg是用稀土元素钕、镨、镝和铽的组合制成的。

陆基风力涡轮机吊舱正在准备安装。
陆基风力机吊舱准备安装。来源:铂族元素/ Flickr

叶片:你一直在等待的部分!刀片一年比一年大,一年比一年好平均转子直径(整个叶片圆的大小)到2021年达到418英尺。这比1999年增长了164%。2021年美国风力涡轮机的平均容量比1999年高出319%。制造工艺不断向更大、更高效、更持久的叶片发展。

资料来源:美国能源部

我们来化简复杂的过程把它想象成一个三明治来做一个风力涡轮机叶片。我们从面包开始,这是一个巨大的叶片状模具,里面充满了干燥的纤维。接下来,我们烘烤它:我们向纤维中注入一种树脂,它充满纤维之间的所有气穴,然后我们加热它以产生硬化的碳纤维。沿着刀片的长度,一个碳“spar”,或脊柱,增加刚性和强度。

弯曲的轻木,泡沫或回收塑料被添加为下一层。这些材料就像生菜;它们在不增加重量的情况下增加了力量。更多的干纤维被添加在三明治的顶部(好吃!),另一种树脂被注入它们(蛋黄)与气密真空吸粘到纤维。接下来,强有力的支持被称为都竖立在模具内,这将作为一个支撑支撑内空心中心的叶片。在我们的开放式三明治的顶部,刀片的上半部分(通过相同的工艺生产)被折叠起来并固定。这是有史以来最大最绿色的三明治。

有趣的事实:有些风力涡轮机叶片耗时两天,100名员工完成!

一个人站在110英尺高的风力涡轮机上。
从110英尺高的风力涡轮机上看到的景色令人印象深刻。来源:Lance张/Flickr

一旦叶片被送到现场,巨大的起重机在计算机辅助操作人员的指导下小心地将三片叶片引导到机舱内。嗖!我们正在利用可再生能源。随着风能价格的上涨,风能已经在其化石燃料竞争对手周围运行更便宜的而且比煤和天然气便宜。


当风力涡轮机达到其使用寿命的终点时会发生什么?怎样才能确保这些巨大而宏伟的叶片不会最终被扔进垃圾填埋场呢?他们的原材料从何而来,当他们退役后,我们能把这些材料加工成其他有用的产品或回收的刀片吗?我们如何才能朝着可持续的、负责任的风能供应链迈进,并确保所有材料都能“循环往复”?点击下面的链接获取答案:

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