大多数风力涡轮机都面向风，这是有充分理由的。自 20 世纪 80 年代以来，风力涡轮机开发商一直在设计中采用所谓的“丹麦概念”——三个叶片位于逆风位置（即面向风），其设计目的是保持面向风，以最大限度地提高能源产量。

今年春天，国家可再生能源实验室 (NREL) 的一组研究人员与丹麦技术大学 (DTU) 合作，试图通过回答以下问题来挑战丹麦的概念：当我们转向时会发生什么？风力涡轮机叶片大约？

NREL 风能研究员（兼项目负责人）Pietro Bortolotti 表示：“几十年来，研究界一直在讨论涡轮机是否应该全部处于逆风位置。”“我们在 20 世纪 80 年代制定这一标准时开始使用的涡轮机与我们今天部署的涡轮机非常不同。它们要小得多，并且具有更厚的叶片和更厚的塔架。”

最近的一项实验的目的是提供关于逆风范式是否仍然有效的硬数据。

另一方面

为了完成实验，NREL 和 DTU 研究人员实际上翻转了位于科罗拉多州 NREL 熨斗园区的 1.5 兆瓦研究风力涡轮机的转子，以及塔顶的风向标和机舱（装有变速箱）。然后他们重新连接发电机以向另一个方向旋转。“此外，我们还必须做一百万件其他事情，以确保我们不会破坏任何东西，”博尔托洛蒂说。

技术人员在空中平台上花了几天几夜进行过渡、连接压力带并在距风力涡轮机不同距离的地方安装麦克风后，团队才能够开始捕获数据。

“我们进行这项实验有两个原因：研究顺风涡轮机的技术经济可行性，并利用 DTU 的这种全新仪器来测量涡轮叶片上的压力分布性能，”Bortolotti 说。

Bortolotti 得到了许多其他风能研究人员和技术人员的支持，包括 Jason Roadman、Mark Iverson、Chris Ivanov、Jon Keller 和 Derek Slaughter，他们共同努力实现物理转变并监测结果。

回答数十年老问题的技术经济分析

该实验是大自适应转子（BAR）项目正在进行的最终项目之一，该项目由美国能源部风能技术办公室资助。BAR 的目标是支持陆上风力涡轮机技术的开发，并找到降低成本的方法，特别是与制造具有更高灵活性的轻质叶片有关。

“我们考察了一系列可能的候选人，”博尔托洛蒂说。“我们想调查顺风行驶是否是进一步提高灵活性和降低成本的机会。”

乍一看，顺风情景的一些方面似乎很有希望。首先，顺风涡轮机中的叶片自然会被风推离塔架，因此有机会设计更轻、更灵活的叶片，这些叶片不需要足够坚硬来避开塔架。刀片越轻，制造成本就越便宜。

其次，风力涡轮机转子的倾斜将涡轮机的尾流重新导向地面，因此不太可能干扰农场中的其他涡轮机。一些研究表明，顺风转子可以提高大型风电场的功率性能。

但顺风的情况会带来一个重大问题。事实上，当刀片经过塔后面时，它会在一瞬间被风挡住。这会改变刀片上的压力，产生振荡或波动，从而导致刀片本身疲劳并产生可听见的“砰砰”声。每当其中一个刀片经过塔后面时，就会发生这种重击声——换句话说，经常发生。

在 11 个小时的数据收集过程中，该团队确实捕捉到了可能影响听力范围内社区的声音水平的重击声。

压力下的刀片

振荡不仅仅产生明显的声音。它还对风力涡轮机产生压力，在实验过程中，该压力是通过 DTU 研究人员固定在其中一个叶片和涡轮机塔架上的三个特殊带进行测量的。

Bortolotti 说：“这些皮带是 DTU 一直在研究的非常新的仪器。”他补充说，这些皮带装置可以帮助研究人员确定转子的性能，无论是逆风还是顺风。“我们利用这个实验来帮助 DTU 推进这项技术，因为它是一种非常有价值且独特的设备，我们希望将来能够再次将其用于逆风转子。”

在实验过程中，皮带测量了沿转子旋转的压力分布，使团队能够精确地了解塔后振荡对叶片的影响。这些测量将有助于深入了解顺风转子所经历的疲劳载荷增加。

在研究中使用传送带的另一个主要好处是它们产生的数据。这些数据可以为团队使用 NREL 的 OpenFAST 工具开发的气动弹性数值模型提供真实世界的验证。

Bortolotti 表示：“在 NREL，我们开发了许多用于负载数值预测、风力涡轮机、风电场性能等的工具。”他补充说，压力带等设备对于验证这些数值工具至关重要。

该团队计划在未来的更传统转子实验中使用压力带。Bortolotti 表示：“得益于 BAR 项目，我们现在相信这些传送带是生成有价值的实验数据集的可行方法，这将有助于我们增进对风力涡轮机的了解。”

得出结论

虽然该研究的正式结果要到 2024 年晚些时候才会发布，但初步结果足以得出这样的结论：顺风操作的潜在好处不超过缺点。

Bortolotti 指出，该团队知道，虽然顺风陆基涡轮机存在噪音和叶片疲劳问题，但其影响尚不清楚。

“研究界必须依赖 20 世纪 80 年代的数据集和轶事证据，这在科学上是不够的，”博尔托洛蒂说。“我们现在可以自信地说，下一代陆基风力涡轮机将会更大、更灵活，但丹麦概念将继续成为主导技术。”

最终，该实验是一项重大成就，不仅仅是因为它收集了有关公用事业规模顺风涡轮机性能的重要数据，同时验证了建模和仿真工具。

博尔托洛蒂说：“我们做了一件没人认为我们能做到的事情，那就是旋转一个相当大的风力涡轮机，配备大量仪器，记录广泛的气动声学、载荷和压力数据。”“与现代装置相比，这个 1.5 兆瓦的涡轮机很小，但它仍然是一个庞然大物，安全地顺风旋转而不损坏一个螺栓是一项巨大的成就。”