风轮机排列新法提高十倍效率-北极星风力发电网

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每个风轮机的转动方向都和邻近的风轮机相反，减少了对每个风轮机的拉力，使它们旋转更快，提高了效率，所有涡轮机间隔都是四个涡轮直径那么远，大约5米，就可以完全消除相邻涡轮机之间的气动干扰。

这些都是垂直轴风力发电机设施，在洛杉矶县北部的优化风能现场实验室。来源：加州理工学院

风电场的输出功率可提高一个量级，至少十倍，只需优化一定场地上风力涡轮机的排列位置，加州理工学院(Caltech)的研究人员说，他们已在洛杉矶县(Los Angeles county)北部一个两亩地的实验风电场进行了独特的实地研究。

有一篇论文描述了这项成果，就是实地测试的结果，测试者是约翰•达比里(John Dabiri)，他是加州理工学院航空和生物工程教授，他和他的同事在2010年夏天进行了测试，论文发表在7月份一期的《可再生和可持续能源杂志》(Journal of Renewable and Sustainable Energy)上。

达比里的实验风电场，称为优化风能现场实验室(FLOWE：Field Laboratory for Optimized Wind Energy)，有24座高10米，宽1.2米的垂直轴风力发电机(VAWTs：vertical-axis wind turbines)，这种涡轮机有垂直的转子，样子就像伸出地面的打蛋机。有6个涡轮机用于2010年的实地测试。

尽管风力涡轮机设计的改进提高了它的效率，但是，风电场的效率仍然相当低，达比里说。现代风电场一般采用水平轴风力涡轮机(HAWTs)，标准的螺旋桨般的庞然大物，您可能会看到在缓缓转动，都是朝着同一个方向，就在洛杉矶以北特哈查比豁口(Tehachapi Pass)的山丘上，。

在这样的风电场，每个涡轮机之间必须相距甚远，不只是为了避免巨大叶片相互碰触。这种类型的设计，由一个涡轮机产生的尾流，在空气动力学上会干扰邻近的涡轮机，结果是，“进入风电场的风能，大多都没有被利用，”达比里说。他比较了现代风电场与“马虎挑食”，后者不仅浪费场地，降低给定场地上的输出功率，而且也浪费他们现有的能源资源。

设计师弥补这种能量损失，他们制作出更大的叶片，更高的塔座，以利用更多可用的风，因为高空阵风更强大。“但是，这带来了其他挑战，”Dabiri说，如更高的成本，更复杂的工程问题，更大的环境影响。更大，更高的涡轮机，毕竟意味着更多的噪音，对鸟类和蝙蝠有更多的危险，而且，对于那些发现这些旋转的尖塔在视觉上没有吸引力的人而言，风轮机就成为更大的眼中钉。

达比里表示，这种解决方案反而是集中在风电场本身的设计，在接近地面的高度，最大限度地发挥它的能量收集效率。与离地面100英尺的高度相比，30英尺的高度风吹的能量要小得多，但是，“全球离地面30英尺高度可利用的风能，比世界用电量高数倍以上，”他说。这意味着，采用更小更便宜、环境干扰也小的风轮机，也可以得到足够的能量，只要是适当的风轮机，以正确的方式排列就行。

垂直轴风轮机是理想的，达比里说，因为它们可以放置得彼此非常接近。这让它们可以捕捉到几乎所有的风能，甚至风电场上方的风能。让每个风轮机的转动方向都和邻近的风轮机相反，研究人员发现，这也提高了它们的效率，也许是因为反向旋转减少了对每个风轮机的拉力，使它们旋转速度更快。达比里从他对鱼群的研究中，产生了使用这种建设性干扰的想法。

在2010年夏季的现场测试中，达比里和他的同事们测量了每六个风轮机的转速和产生的功率，是把它们放置在大量不同排列中进行测量。每种排列，都有一个涡轮机保持固定位置;其他的都装在活动底座上，使它们可以在周围移动。

试验表明，安排为一个阵列中所有涡轮机间隔都是四个涡轮机直径那么远(大约5米，或约16英尺)，就可以完全消除相邻涡轮机之间的气动干扰。相比之下，消除螺旋桨式风力涡轮机之间的气动干扰，需要使它们的间距达到约20个直径那么远，这意味着，在目前使用的最大风力涡轮机之间，要有超过1英里的间距。

这6个垂直轴风轮机，每平方米场地面积产生了21至47瓦的电力;而同等大小的水平轴风轮机风电场，每平方米只能产生2到3瓦。

“达比里的仿生工程研究正在挑战风力发电技术的现状，”阿雷斯•罗萨基斯(Ares Rosakis)说，他是加州理工学院工程和应用科学部主任，也是西奥多冯卡门航空教授(Theodore von Kármán Professor)和机械工程教授。“这充分体现了加州理工学院工程师们的创新方法如何解决我们社会的最大问题。”

“我们是在正确的轨道上，但是，这绝不是已经‘大功告成’，”达比里说。“接下来的步骤是扩大实地示范的规模，并改进现成的风力涡轮机设计，用于试验研究。”不过，他说，“我认为，这些成果强烈呼吁，要进一步研究目前风电的替代品。”

今年夏天，达比里和他的同事们正在研究更大阵列的18台垂直轴风轮机，以跟进去年的实地研究。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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