格拉斯哥大学的研究人员正致力于挖掘无叶片风力发电的潜力,其计算机模拟首次确定了未来无叶片风力涡轮机(BWT)最有效的设计。
研究人员表示,这些发现有助于可再生能源行业将仍处于研发早期阶段的BWT从小规模现场试验转变为国家电网的实际发电形式。
无叶片风力涡轮机具有诸多优点。它运行时更安静、占用空间更小,并且由于设计更简单,通常需要的维护也更少。有趣的是,BWT对鸟类等动物更为安全。对于飞行生物而言,快速旋转的标准涡轮叶片会因“运动模糊”效应而显得模糊甚至不可见,这通常会增加碰撞风险,而BWT则不存在这一问题。
长期以来,将风能转化为电能主要依靠传统风力涡轮机。这些涡轮机将风的动能直接转化为叶片的旋转运动,进而驱动发电机发电。与之不同,无叶片风力涡轮机的运行原理基于涡激振动(VIV)。BWT通常没有旋转叶片,而是由高而细的圆柱形桅杆构成,像微风中的灯柱一样摇曳。风的运动会产生涡流,使整个结构产生振动,当这种摇摆运动与结构的固有振动频率完美匹配时,振动会急剧增强,随后这种增强的振动直接转化为电能。
在此次新研究中,工程师们运用计算机模拟来确定如何构建未来几代BWT以实现最高效率。格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Wrik Mallik博士说:“这项研究首次表明,与直觉相反,提取能量效率最高的结构实际上并非输出功率最高的结构。”“相反,我们确定了设计变量之间的理想中点,以最大限度地提高BWT的发电能力,同时保持其结构强度。”
该研究结果为理解桅杆尺寸(如高度和宽度)如何影响无叶片风力涡轮机的发电量和结构完整性提供了新见解。研究结果指向一个理想设计:桅杆高80厘米(31.4英寸),直径65厘米(25.4英寸)。这种功率和坚固性的最佳平衡可安全地提供高达460瓦的功率,优于目前现实世界中最高功率约为100瓦的原型。这些发现对于确保在每小时20至70英里的风速下结构安全尤为重要。
研究人员相信,他们的方法能够扩大BWT的规模,使其产生1000瓦(1千瓦)或更多的功率。