大多數風力渦輪機都面向風，這是有充分理由的。自1980 年代以來，風力渦輪機開發商一直在設計中採用所謂的「丹麥概念」——三個葉片位於逆風位置（即面向風），其設計目的是保持面向風，以最大限度地提高能源產量。

今年春天，國家再生能源實驗室 (NREL) 的一組研究人員與丹麥技術大學 (DTU) 合作，試圖透過回答以下問題來挑戰丹麥的概念：當我們轉向時會發生什麼？風力渦輪機葉片大約？

NREL 風能研究員（兼專案負責人）Pietro Bortolotti 表示：“幾十年來，研究界一直在討論渦輪機是否應該全部處於逆風位置。”“我們在 20 世紀 80 年代製定這一標準時開始使用的渦輪機與我們今天部署的渦輪機非常不同。它們要小得多，並且具有更厚的葉片和更厚的塔架。”

最近的一項實驗的目的是提供關於逆風範式是否仍然有效的硬數據。

另一方面

為了完成實驗，NREL 和 DTU 研究人員實際上翻轉了位於科羅拉多州 NREL 熨斗園區的 1.5 兆瓦研究風力渦輪機的轉子，以及塔頂的風向標和機艙（裝有變速箱）。然後他們重新連接發電機以向另一個方向旋轉。「此外，我們還必須做一百萬件其他事情，以確保我們不會破壞任何東西，」博爾托洛蒂說。

技術人員在空中平台上花了幾天幾夜進行過渡、連接壓力帶並在與風力渦輪機不同距離的地方安裝麥克風後，團隊才能夠開始捕獲數據。

「我們進行這項實驗有兩個原因：研究順風渦輪機的技術經濟可行性，並利用 DTU 的這種全新儀器來測量渦輪葉片上的壓力分佈性能，」Bortolotti 說。

Bortolotti 得到了許多其他風能研究人員和技術人員的支持，包括 Jason Roadman、Mark Iverson、Chris Ivanov、Jon Keller 和 Derek Slaughter，他們共同努力實現物理轉變並監測結果。

回答數十年老問題的技術經濟分析

該實驗是大自適應轉子（BAR）計畫正在進行的最終計畫之一，該計畫由美國能源部風能技術辦公室資助。BAR 的目標是支持陸上風力渦輪機技術的開發，並找到降低成本的方法，特別是與製造具有更高靈活性的輕質葉片有關。

「我們考察了一系列可能的候選人，」博爾托洛蒂說。“我們想調查順風行駛是否是進一步提高靈活性和降低成本的機會。”

乍一看，順風情景的一些方面似乎很有希望。首先，順風渦輪機中的葉片自然會被風推離塔架，因此有機會設計更輕、更靈活的葉片，這些葉片不需要足夠堅硬來避開塔架。刀片越輕，製造成本就越便宜。

其次，風力渦輪機轉子的傾斜將渦輪機的尾流重新導向地面，因此不太可能幹擾農場中的其他渦輪機。一些研究表明，順風轉子可以提高大型風電場的功率性能。

但順風的情況會帶來一個重大問題。事實上，當刀片經過塔後面時，它會在一瞬間被風擋住。這會改變刀片上的壓力，產生振盪或波動，從而導致刀片本身疲勞並產生可聽見的“砰砰”聲。每當其中一個刀片經過塔後面時，就會發生這種重擊聲——換句話說，經常發生。

在 11 個小時的數據收集過程中，團隊確實捕捉到了可能影響聽力範圍內社區的聲音水平的重擊聲。

壓力下的刀片

振盪不僅僅產生明顯的聲音。它還對風力渦輪機產生壓力，在實驗過程中，該壓力是透過 DTU 研究人員固定在其中一個葉片和渦輪機塔架上的三個特殊帶進行測量的。

Bortolotti 說：「這些皮帶是 DTU 一直在研究的非常新的儀器。」他補充說，這些皮帶裝置可以幫助研究人員確定轉子的性能，無論是逆風還是順風。“我們利用這個實驗來幫助 DTU 推進這項技術，因為它是一種非常有價值且獨特的設備，我們希望將來能夠再次將其用於逆風轉子。”

在實驗過程中，皮帶測量了沿著轉子旋轉的壓力分佈，使團隊能夠精確地了解塔後振盪對葉片的影響。這些測量將有助於深入了解順風轉子所經歷的疲勞負荷增加。

在研究中使用傳送帶的另一個主要好處是它們產生的資料。這些數據可以為團隊使用 NREL 的 OpenFAST 工具開發的氣動彈性數值模型提供真實世界的驗證。

Bortolotti 表示：「在 NREL，我們開發了許多用於負載數值預測、風力渦輪機、風電場性能等的工具。」他補充說，壓力帶等設備對於驗證這些數值工具至關重要。

該團隊計劃在未來的更傳統轉子實驗中使用壓力帶。Bortolotti 表示：“得益於 BAR 項目，我們現在相信這些傳送帶是產生有價值的實驗數據集的可行方法，這將有助於我們增進對風力渦輪機的了解。”

得出結論

雖然研究的正式結果要到 2024 年稍後才會發布，但初步結果足以得出這樣的結論：順風操作的潛在好處不超過缺點。

Bortolotti 指出，團隊知道，雖然順風陸基渦輪機有噪音和葉片疲勞問題，但其影響尚不清楚。

「研究界必須依賴 20 世紀 80 年代的數據集和軼事證據，這在科學上是不夠的，」博爾托洛蒂說。「我們現在可以自信地說，下一代陸基風力渦輪機將會更大、更靈活，但丹麥概念將繼續成為主導技術。

最終，該實驗是一項重大成就，不僅是因為它收集了有關公用事業規模順風渦輪機性能的重要數據，同時驗證了建模和模擬工具。

博爾托洛蒂說：“我們做了一件沒人認為我們能做到的事情，那就是旋轉一個相當大的風力渦輪機，配備大量儀器，記錄廣泛的氣動聲學、載荷和壓力數據。”「與現代裝置相比，這個 1.5 兆瓦的渦輪機很小，但它仍然是一個龐然大物，安全地順風旋轉而不損壞一個螺栓是一項巨大的成就。”