撰文：Andrea Thompson
翻譯：余遠(yuǎn)葭
審校：黃靜
越來(lái)越多的人在屋頂上安裝太陽(yáng)能電池板，但還沒有人會(huì)在屋頂上安裝同樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。過(guò)去，人們一直在努力縮小風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸，使之適合家庭使用，但由于技術(shù)問(wèn)題太多，這種目標(biāo)一直沒有實(shí)現(xiàn)。直到最近，一種新型設(shè)計(jì)可以繞開尺寸設(shè)計(jì)問(wèn)題，它拋棄了傳統(tǒng)的渦輪結(jié)構(gòu)，而利用了和飛機(jī)機(jī)翼創(chuàng)造升力一樣的原理。
總體而言，近年來(lái)可再生能源的發(fā)電量有所增長(zhǎng)，而風(fēng)力發(fā)電則是這一趨勢(shì)中的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力。在美國(guó)，風(fēng)力發(fā)電量占可再生能源發(fā)電量的40%以上（盡管只占總發(fā)電量的7%）。與只能在白天收集能量的太陽(yáng)能電池不同，風(fēng)力渦輪機(jī)在合適的地方，如有風(fēng)速持續(xù)和適當(dāng)?shù)拈_闊平原或平緩山丘，它就能整天整夜運(yùn)轉(zhuǎn)。但除了這些要求外，大型風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)還需要開放的空間，大多數(shù)時(shí)候不適合安裝在城鎮(zhèn)及其周圍。如果能在住宅和城市建筑的屋頂安裝風(fēng)電系統(tǒng)，將能提升對(duì)風(fēng)力資源的利用。
發(fā)電裝置的尺寸是影響風(fēng)力發(fā)電的重要因素。單個(gè)渦輪機(jī)所能產(chǎn)生的能量與它的葉片掃過(guò)的面積成正比，因此類似的小到可以安裝在屋頂上的風(fēng)電裝置，產(chǎn)生的能量并不可觀。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的機(jī)械工程師Brent Houchens說(shuō)：“分布式風(fēng)力發(fā)電之所以不成功，就是因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)都是小型的風(fēng)力渦輪機(jī)?！陛^小的設(shè)備不能產(chǎn)生足夠的能量，因此并不劃算。此外，它們快速旋轉(zhuǎn)的葉片會(huì)產(chǎn)生嘈雜的振動(dòng)，維持運(yùn)動(dòng)所需的多個(gè)部件更容易損壞。與屋頂?shù)奶?yáng)能電池板相比，風(fēng)力渦輪機(jī)可能需要相當(dāng)高的維護(hù)成本。
通過(guò)借鑒飛機(jī)飛行的基本原理，Houchens等人想出了一種能克服這些問(wèn)題的解決方案。飛機(jī)機(jī)翼的彎曲形狀（翼型），會(huì)改變機(jī)翼上下兩側(cè)的氣壓，最終產(chǎn)生飛機(jī)的升力。Houchens的同事Carsten Westergaard是Westergaard Solutions公司的總裁，也是德克薩斯理工大學(xué)的機(jī)械工程師。他認(rèn)為把兩個(gè)機(jī)翼組合在一起，這樣“流經(jīng)一個(gè)機(jī)翼的氣流能放大流經(jīng)另一個(gè)機(jī)翼氣流的壓力差，達(dá)到更高的發(fā)電效果。”這個(gè)裝置就像兩個(gè)飛機(jī)機(jī)翼面對(duì)面直立起來(lái)一樣，并且直接迎風(fēng)放置。機(jī)翼中空而且表面上有縫隙，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)的時(shí)，兩個(gè)機(jī)翼之間會(huì)形成低氣壓，能將空氣從縫隙中吸進(jìn)去。機(jī)翼下方連著一根管道，吸進(jìn)去的氣流會(huì)使裝在管道里的一個(gè)小渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)發(fā)電。
這個(gè)新設(shè)備被研究人員稱為AeroMINE，其中“MINE”指的是“靜止的（Motionless）”和“綜合提?。↖ntegrated Extraction）”。因?yàn)樯鲜龅脑O(shè)計(jì)，AeroMINE中機(jī)翼的矩形面能利用風(fēng)能，這比傳統(tǒng)的渦輪機(jī)葉片利用風(fēng)能的面積更大。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)渦輪機(jī)被Houchens比作餅干模具，會(huì)把邊緣的面團(tuán)浪費(fèi)掉。而新裝置則利用了所有可用的風(fēng)能，能夠產(chǎn)出更多的電量。
沿屋頂邊緣排列的風(fēng)能發(fā)電裝置AeroMINES。圖片來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）
AeroMINEs也不會(huì)產(chǎn)生與普通渦輪機(jī)相同的振動(dòng)和噪音，Westergaard說(shuō)它們“比通風(fēng)機(jī)還安靜”。相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)也意味著會(huì)更少的運(yùn)作部件會(huì)發(fā)生故障。但如果出故障的話，新裝置安裝在建筑內(nèi)部的渦輪機(jī)也將更容易修理。此外，這也避免了人或野生動(dòng)物意外接觸到葉片。該團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一個(gè)方案，使它能夠與屋頂?shù)奶?yáng)能電池板結(jié)合，并能與現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施兼容，以收集它們產(chǎn)生的能量。
普渡大學(xué)的機(jī)械工程師Luciano Castillo曾與Westergaard合作過(guò)，盡管他沒有參與該項(xiàng)目，但他表示，在風(fēng)力條件好的地區(qū)，“這項(xiàng)技術(shù)具有開創(chuàng)性的意義”。他還認(rèn)為，AeroMINEs的簡(jiǎn)易性可能會(huì)讓它成為發(fā)展中國(guó)家的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)锳eroMINEs不需要專門的部件或工具，而且相對(duì)容易修理。此外，Castillo和Westergaar還看到了這種設(shè)計(jì)在水下收集潮汐能的潛力。
Jay Apt是卡內(nèi)基梅隆電力工業(yè)中心的主任，也沒有參與這個(gè)項(xiàng)目。他也認(rèn)為AeroMINEs的簡(jiǎn)易性，具有很大的吸引力。但他不確定能否等比例地放大該系統(tǒng)，使得它能在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中以足夠低的成本有效地產(chǎn)生能源。Houchens說(shuō)，在合適的風(fēng)力條件下，他和同事認(rèn)為AeroMINEs的成本將能降低到目前屋頂太陽(yáng)能電池板的成本。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)得到了桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)能源部的資助，已開始在風(fēng)洞中測(cè)試了縮小版的模型以優(yōu)化裝置的設(shè)計(jì)。今年6月，研究人員計(jì)劃在美國(guó)風(fēng)能研究所下屬的規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)(SWiFT) 設(shè)施中的一座單層模擬建筑上，測(cè)試這一設(shè)備高度為四米的版本。
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/rooftop-wind-power-might-take-off-by-using-key-principle-of-flight/
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