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来自飞机的灵感:让自家屋顶变成风电场

来源:环球科学

艺术家对AeroMINES的描绘,沿屋顶边缘排列的AeroMINES与太阳能电池板相结合。

图片来源:桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)

在美国,越来越多的人在屋顶上安装太阳能电池板,但却很少有人会在屋顶上安装同样环保产电的风力发电系统。过去,人们一直在努力缩小风力涡轮机的尺寸,使之适合家庭使用,但由于技术问题太多,这种目标一直没有实现。直到最近,一种新型设计可以绕开尺寸设计问题,它抛弃了传统的涡轮结构,而利用了和飞机机翼创造升力一样的原理。

总体而言,近年来美国可再生能源的发电量有所增长,风力发电则是这一趋势的主要推动力。在美国,风力发电量占可再生能源发电量的40%以上(尽管只占全部电力生产的7%)。与太阳能电池不同的是,太阳能电池只能在白天收集能量,而风力涡轮机只要在合适的地方,比如有持续且强度适当的风的开阔平原或平缓山丘,它就可以整夜都运转。但除了这些要求外,大型风力涡轮机还需要开放的空间,而在城镇和不断扩张的城市附近并不总是有这样的空间。在住宅和城市建筑的屋顶安装风电系统可以提升对风力资源的利用。

装置的尺寸是影响风力发电的重要因素。单个涡轮机所能产生的能量与它的叶片扫掠的面积成正比,因此那些小到可以安装在屋顶上的风电装置产生的能量并不可观。桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的机械工程师Brent Houchens说:“分布式风力发电之所以不成功,就是因为大多数系统都是小型的风力涡轮机”。较小的设备不能产生足够的能量,因此不够划算。此外,它们快速旋转的叶片还会产生嘈杂的振动,拥有众多的运动部件也使它更容易破损。与被动式屋顶太阳能电池板相比,风力涡轮机的维护成本相当高。

通过借鉴飞机的基本原理,Houchens和他的同事们想出了一种能克服这些问题的解决方案。飞机机翼的弯曲形状,也就是所谓的翼型,会改变机翼上下两侧的气压,最终产生飞机的升力。Houchens的同事Carsten Westergaard是Westergaard Solutions公司的总裁,也是德克萨斯理工大学(Texas Tech University)的机械工程师。他认为把两个机翼组合在一起,这样“经过一个机翼的气流也会增强另一个机翼(的发电效果),使它们产生更多电力。”这个装置就像两个飞机机翼面对面直立起来一样,并且直接迎风放置。机翼中空而且表面上有缝隙,当风吹过的时候就会在两个机翼之间形成低气压,并通过缝隙将空气吸进去。机翼下方连着一根管道,吸进去的气流会使装在管道里的一个小涡轮机转动起来发电。

这个新设备被研究人员称为AeroMINE,其中的“MINE”指的是“静止的(Motionless)”和“综合提取(Integrated Extraction)”。因为上述的设计,AeroMINE能够从机翼的矩形面吸收风能,这比传统的涡轮机叶片吸收风能的区域更大。传统的标准涡轮机被Houchens比作饼干模具,会把边缘的面团浪费掉。而新装置则利用了所有可用的风能,能够产出更多的电量。

AeroMINEs也不会产生与普通涡轮机相同的振动和噪音,Westergaard说它们“比通风机还安静”。相对简单的设计意味着会有更少的运动部件会发生故障。但如果出故障的话,新装置安装在建筑内部的涡轮机也将更容易修理。此外,这也避免了人或野生动物意外接触到叶片。该团队正在设计一个方案,使它能够与现有的基础设施兼容,和屋顶的太阳能电池板联合,并收集它们产生的能量。

过去曾与Westergaard合作过的Luciano Castillo是普渡大学(Purdue University)的机械工程师,尽管他没有参与该项目,但他表示,“我着实认为这项技术在风力条件好的地区具有开创性”。他还认为,AeroMINEs的简易性可能会让它成为发展中国家的一个不错的选择,因为AeroMINEs不需要专门的部件或工具,而且相对容易修理。此外,Castillo和Westergaard也都看到了这种设计可以在水下收集潮汐能的潜力。

Jay Apt是卡内基梅隆电力工业中心(Carnegie Mellon Electricity Industry Center)的主任,同样没有参与这个项目的他也认为AeroMINEs的简易性很有吸引力。但他不确定能不能等比例放大该系统,使得它能在现实环境中以足够低的成本有效地产生能源。Houchens说,在合适的风力条件下,他和他的同事认为AeroMINEs的成本与目前屋顶太阳能电池板的成本不相上下。

这个团队已经得到了桑迪亚国家实验室和美国能源部的资助,他们已经在风洞中测试了缩小的模型以调整设计。今年6月,研究人员计划在德州理工学院(Texas Tech)国家风能研究所(National Wind Institute)下属的“规模风电场技术(Scaled Wind Farm Technology, SWiFT) ”设施中的一座单层模拟建筑上测试一个四米高版本的设备。

作者:Andrea Thompson,《科学美国人》杂志的副编辑,写作内容涉及可持续发展

翻译:余远葭

审校:黄静

引进来源:科学美国人

引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/rooftop-wind-power-might-take-off-by-using-key-principle-of-flight/

本文来自:环球科学
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