来自飞机机翼的灵感，能让自家屋顶变成风电场

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来自飞机机翼的灵感，能让自家屋顶变成风电场是怎么回事，是真的吗？2020年05月19日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                来自飞机机翼的灵感，能让自家屋顶变成风电场
                               
                                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。
                               
                               



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。


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/