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作者： 记者 唐琳综合报道 来源： 发布时间：2017-9-8 16:34:7
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美国风电产业已经迎来迅猛发展的时代。
在过去的9年中，美国可再生能源的总量增长了3倍之多，而其中风能和太阳能当居首功。尝到了“甜头”的美国风电产业正计划部署和利用更多的风能，而降低成本的最佳方式之一，便是打造更大的涡轮机。
于是，人们看到了一个有趣的趋势：伴随着科学技术的发展，在许多设备都变得越来越迷你的当下，风力涡轮机却越来越高，直冲云霄。其中，由美国弗吉尼亚大学研究人员带领的包括6个机构在内的联合团队，就在想方设法地打造一个规模大得吓人的风力涡轮机：一片风叶长达200米，涡轮机总体高度达到500米，甚至比美国帝国大厦还高57米。
“大了更好”
与15~20年前相比，如今的风力涡轮机总体规模已经大了不少。
目前，风力涡轮机的高度通常在70米左右，叶轮长50米左右。风力涡轮机的电能输出取决于其规模和高度，通常来说其电力在1~5兆瓦之间，位于较高电量一端时，它们足以提供1100户人家所需的电量。
“使用更大规模的风力涡轮机的原因与经济有很大关系。”美国纽约州立大学布法罗分校机械与航空航天工程学院助理教授John Hall解释说。大型风力涡轮机的叶轮更大，在较高海拔时会更加稳定，因此成本效益更高。正如该项目负责人、美国能源部高级研究计划局的Eric Loth所说的，更高的涡轮机能够“捕集更多的能量”。
“大了更好”的另外一个原因，在于更高的塔楼能拥有更长的叶轮，更长的涡轮叶片能更有效地捕捉风能，因为涡轮机的发电量与其“扫略面积”——涡轮叶片旋转所覆盖的区域——直接相关。美国马萨诸塞大学罗威尔分校风能中心主任、机械工程师Christopher Niezrecki解释说，这一关系并非线性的，如果叶片长度加倍，一个风力发电系统将能产生4倍的能量。
Loth团队计划设计一个叶片长200米的50兆瓦的风电系统，它比目前的风力涡轮机大得多。如果能够成功，他们认为该涡轮机的能量会比现有设备强10倍。
研究人员并不是简单地扩大传统风力涡轮机的规模，而是从根本上改变了涡轮机的结构。这个全球最大的机器只有2个叶片，而非传统涡轮机的3个，这一改变能够帮助其减轻结构重量并降低成本。Loth表示，减少叶片的数量通常会让一个涡轮机效率降低，但他所在团队正在利用一个先进的涡轮气动设计来弥补相应的损失。
自然赋予灵感
根据Loth的介绍，研究团队还设想将这个庞然大物矗立于距离海岸线至少80公里外的海面上。一方面是因为那里的风更大，另一方面也可以使陆地上的人们免受噪音的干扰。
但是，团队属意的这些地区，比如靠近大西洋的美国东海岸地区等等，却也恰好是强有力的暴风雨经常“光临”的区域。于是，Loth的研究团队陷入了一个两难的境地：既要建造一个不折不扣的庞然大物，却又需要它相对较轻，以至于能在飓风袭击时依然保有灵活性。
为了解决这个棘手的问题，Loth的团队将目光转向自然界，寻找设计解决方案。而实际上，自然确实赐予了他们灵感。“棕榈树非常高大，但其结构却很轻。一旦遭遇强风，树干就可以弯曲。我们试图用同样的概念来设计我们的风力涡轮机，使其具有一定的灵活性，能够弯曲以适应气流。”
与传统的风力涡轮机将叶片安装在上风处不同，在Loth团队的最新设计中，两个叶片被安装于涡轮机的下风处。并且与棕榈树相似，涡轮机的叶片也会随着风向而改变形状。
对于这样的设计，Loth给出了解释。当叶片以顺风的角度向后弯曲时，叶片会适应高风速，并开始折叠，所以它们的动力就会减弱，因此不需要使用更重或更强的材料来建造，从而节省成本。同时，这种设计还减少了强风将旋转的叶片弯曲而砸到塔上的可能性，避免了整个结构被破坏。
“我们希望我们的涡轮机能够在非作业的条件下承受住大于253公里/时的风速。”而事实上，一旦风速超过80~95公里/时，涡轮机的系统就会自动关闭，叶片也会弯曲折叠，从而使装置能够抵御住狂风。
道阻且长
500米高的风力涡轮机仍面临诸多挑战，毕竟这样巨大的尺寸前所未有。
“如何制造200米长的叶片？如何将它们安装在一起？如何将这么高的塔竖立起来？此外，离岸风电又带来了额外的难题。”Niezrecki表示。
研究团队试图设计出一个分段的叶片，这样就能够在现场组装。但Niezrecki也坦言，目前风电行业还没有找到具体的叶片分段方法。“有许多研究问题需要解决。”他表示，“这肯定是高风险的，但也有高回报的可能。我不认为这些问题是无法克服的。”
Hall则还在思考另外一个问题，即500米高是否是巨型涡轮机的最佳尺寸。“我们知道变大是好的，但问题在于到底应该多大？我们需要找到这个最佳点。我们将会从这个项目中收获良多。”
目前，Loth和他的团队尚未开始原型测试，他们正在忙着设计风力涡轮机的结构和控制系统，并计划在今年夏天打造出一个直径约2米的小模型。而明年这个时候，他们预备建造一个叶片长度约20米的稍大版本的模型，并在美国科罗拉多进行测试。
虽然连Loth自己也不能100%地肯定他的团队一定能将这个庞大的涡轮机变成现实，但他认为值得一试。“这是一个新的概念，所以不能保证它绝对可行。但一旦成为现实，它将带来一场海上风电的变革。”■
《科学新闻》 (科学新闻2017年8月刊 能源)
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