研究人員指出，一項新的研究成果有望推動小型風(fēng)力發(fā)電這一新興技術(shù)全面釋放潛能。格拉斯哥大學(xué)的工程師團(tuán)隊通過高精度計算機模擬無葉片風(fēng)力發(fā)電機，揭示了未來該技術(shù)的能效優(yōu)化路徑。
這項研究成果有望助力可再生能源產(chǎn)業(yè)將目前仍處于研發(fā)初期階段的無葉片風(fēng)力發(fā)電機（BWTs）從小規(guī)模實地試驗，推進(jìn)至適用于國家電網(wǎng)級的實用化發(fā)電階段。
與通過流動空氣驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機不同，無葉片風(fēng)力發(fā)電機基于渦激振動原理發(fā)電。
無葉片風(fēng)力發(fā)電機采用細(xì)長圓柱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其隨風(fēng)搖擺的姿態(tài)猶如惡劣天氣中的路燈桿。當(dāng)氣流作用于圓柱體時，這種發(fā)電機會產(chǎn)生渦流，這些交替形成的空氣漩渦會使整個結(jié)構(gòu)前后擺動。當(dāng)擺動頻率與結(jié)構(gòu)固有振動頻率相吻合時，其運動幅度將顯著放大，增強的機械運動隨即被轉(zhuǎn)化為電能。
研究團(tuán)隊在《可再生能源》期刊（RenewableEnergy）新發(fā)表的論文中，詳細(xì)闡述了如何運用計算機建模技術(shù)對數(shù)千種無葉片風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計方案進(jìn)行性能模擬。該研究成果首次揭示了20至70英里/小時風(fēng)速條件下，塔架尺寸、發(fā)電功率與結(jié)構(gòu)安全性之間的相互作用關(guān)系。
研究團(tuán)隊的主要發(fā)現(xiàn)是：無葉片風(fēng)力發(fā)電機存在一個最佳設(shè)計方案，可在發(fā)電效率與結(jié)構(gòu)強度之間達(dá)到“黃金平衡點”。該理想設(shè)計采用直徑65厘米、高度80厘米的塔架結(jié)構(gòu)，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)了發(fā)電效能的最優(yōu)配置。研究數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計方案可安全輸出460瓦的最大功率，這一表現(xiàn)明顯超越了當(dāng)前實際建造的最佳原型機（最高輸出功率僅100瓦）的性能。
研究模型同時揭示了其他設(shè)計方案的性能局限——盡管這些方案理論上可產(chǎn)生更高發(fā)電量。論文中指出，某些無葉片風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計在理論上最高可輸出600瓦功率，但這是以犧牲結(jié)構(gòu)完整性為代價的。在實際運行環(huán)境中，這類設(shè)計將很快出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問題。
研究團(tuán)隊表示，其建模方法可為無葉片風(fēng)力發(fā)電機的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)，使其發(fā)電能力提升至1千瓦及以上的公用事業(yè)級水平，從而顯著提高該技術(shù)在可再生能源供應(yīng)商中的實用價值。
格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的里克·馬利克（WrikMallik）博士是該論文的通訊作者之一。他表示：“這項研究首次揭示了一個反直覺的發(fā)現(xiàn)：事實上，能量提取效率最高的結(jié)構(gòu)并非功率輸出最大的結(jié)構(gòu)。相反，我們已在設(shè)計變量之間找到了理想平衡點，在保持無葉片風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)強度的同時，可最大限度地提升其發(fā)電能力?！?/span>
“未來，無葉片風(fēng)力發(fā)電機有望在城市環(huán)境中起到重要作用——在這些區(qū)域中，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機的適用性有限。相較傳統(tǒng)機型，無葉片風(fēng)力發(fā)電機具有運行噪音更低、占地面積更小、對野生動物的威脅更少、運動部件更少等優(yōu)勢，因此其日常維護(hù)需求也會顯著降低?！?/span>
詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的松迪蓬·阿迪卡里（SondiponAdhikari）教授也是該論文的通訊作者之一。他表示：“我們希望這項研究通過明確展示最高效的設(shè)計方案，能推動業(yè)界開發(fā)新型無葉片風(fēng)力發(fā)電機原型機。通過減少原型機改進(jìn)過程中的不確定性，有望加速這種發(fā)電機成為全球?qū)崿F(xiàn)可再生能源凈零排放目標(biāo)的重要技術(shù)手段?！?/span>
“我們將繼續(xù)深化對無葉片風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計工作的研究，并探索如何通過技術(shù)升級使其適用于更廣泛的應(yīng)用場景。同時，我們也將重點研究超構(gòu)材料——這類經(jīng)過特殊設(shè)計、精密調(diào)控而具備天然材料所缺乏特性的新型材料——從而提升未來的發(fā)電效能。”
詹姆斯·瓦特工程學(xué)院碩士生詹尼斯·布林（JanisBreen）亦參與了本論文撰寫工作。該團(tuán)隊題為《基于尾流振蕩器模型的無葉片風(fēng)力發(fā)電機性能分析與幾何優(yōu)化》的論文已發(fā)表于《可再生能源》期刊。