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来自飞机机翼的灵感,能让自家屋顶变成风电场

时间: 2020年05月19日 | 作者: Andrea Thompson | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
通过借鉴飞机飞行的基本原理,科学家们研究出了可以安装在屋顶的风力发电装置。


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撰文:Andrea Thompson

翻译:余远葭

审校:黄静


越来越多的人在屋顶上安装太阳能电池板,但还没有人会在屋顶上安装同样的风力发电系统。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,近年来可再生能源的发电量有所增长,而风力发电则是这一趋势中的一个主要驱动力。在美国,风力发电量占可再生能源发电量的40%以上(尽管只占总发电量的7%)。与只能在白天收集能量的太阳能电池不同,风力涡轮机在合适的地方,如有风速持续和适当的开阔平原或平缓山丘,它就能整天整夜运转。但除了这些要求外,大型风力涡轮机的运转还需要开放的空间,大多数时候不适合安装在城镇及其周围。如果能在住宅和城市建筑的屋顶安装风电系统,将能提升对风力资源的利用。


发电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过的面积成正比,因此类似的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,因此并不划算。此外,它们快速旋转的叶片会产生嘈杂的振动,维持运动所需的多个部件更容易损坏。与屋顶的太阳能电池板相比,风力涡轮机可能需要相当高的维护成本。


通过借鉴飞机飞行的基本原理,Houchens等人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(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的机械工程师。他认为把两个机翼组合在一起,这样“流经一个机翼的气流能放大流经另一个机翼气流的压力差,达到更高的发电效果。”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,两个机翼之间会形成低气压,能将空气从缝隙中吸进去。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“MINE”指的是“静止的(Motionless)”和“综合提取(Integrated Extraction)”。因为上述的设计,AeroMINE中机翼的矩形面能利用风能,这比传统的涡轮机叶片利用风能的面积更大。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。


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沿屋顶边缘排列的风能发电装置AeroMINES。图片来源:桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)


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”。相对简单的设计也意味着会更少的运作部件会发生故障。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,使它能够与屋顶的太阳能电池板结合,并能与现有的基础设施兼容,以收集它们产生的能量。


普渡大学的机械工程师Luciano Castillo曾与Westergaard合作过,尽管他没有参与该项目,但他表示,在风力条件好的地区,“这项技术具有开创性的意义”。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Westergaar还看到了这种设计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的主任,也没有参与这个项目。他也认为AeroMINEs的简易性,具有很大的吸引力。但他不确定能否等比例地放大该系统,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,他和同事认为AeroMINEs的成本将能降低到目前屋顶太阳能电池板的成本。


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,已开始在风洞中测试了缩小版的模型以优化装置的设计。今年6月,研究人员计划在美国风能研究所下属的规模风电场技术(SWiFT) 设施中的一座单层模拟建筑上,测试这一设备高度为四米的版本。


原文链接:

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